农业合成生物研发与风险管理

王旭静， 燕永亮， 王友华， 唐巧玲， 焦悦， 王志兴*

（1.中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081； 2.农业农村部科技发展中心，北京 100176）

合成生物技术作为21世纪的一项颠覆性技术，是通过引入模块化概念和系统设计理论，对生物体进行设计改造或者从头合成全新人工生物体系，是分子生物学、工程学、信息学、计算机科学等多学科交叉融合的会聚型创新技术，具有工程化、标准化、智能化特征，正在引发第三次生物科学革命和推动产业方式变革[1-3]。合成生物技术在农业上的应用，有望解决光合作用、生物固氮、生物抗逆、环境资源等制约农业发展的世界性难题，为保障粮食安全、发展生物经济注入新动能，已成为全球科技竞争战略制高点[4]。同时，合成生物技术与其他技术一样，是一把双刃剑，在给人类带来利益的同时也具有一定的潜在风险，需加强风险评估与安全管理。

1 农业合成生物技术的发展历程

合成生物技术最初由Hobom[5]于1980年提出，表述为基因重组技术。2000年，库尔（Kool）用合成生物技术来描述生物系统中非天然存在的功能性有机分子的合成[6]。同年，Mcadams等[7]在大肠杆菌中成功构建第1个基因开关，标志着合成生物技术时代的正式开启[8]。随后，2002年在大肠杆菌中成功构建了用于生产青蒿素的甲羟戊酸途径；2006年成功构建了产青蒿素的酵母菌；2010年，人工合成的蕈状支原体基因组迈出了人工合成基因创造新细胞的历史性一步。自此，生命科学从“认识生命”走向“合成生命”的新阶段[9-11]。2013年，Paddon等[12]完成酵母中青蒿素半生物合成工艺，从酵母中合成青蒿素使抗疟疾药物成本下降90%，被认为是合成生物技术应用的里程碑事件。自此，合成生物技术在生命健康、环境资源和农业生产等领域的创新应用发展迅速，预计到2025年市场规模将突破200亿美元[4]。

从合成生物技术的概念和发展历程可以看出，合成生物技术与转基因技术在研究内容和技术方法上是重叠的，合成生物技术使用的元件和模块在转基因技术中同样使用，二者都需要用到DNA重组技术和遗传转化技术等。区别在于转基因技术只是转化少量外源基因，而合成生物技术倾向于转化多基因甚至整个代谢通路，从系统层面实现对植物体系的从头设计与改造。可以说合成生物技术是转基因技术的延伸和迭代升级，比转基因技术更具有不确定性和复杂性。

2 农业合成生物技术的研发与应用

2.1 国际农业合成生物技术的研发与应用

合成生物技术成为全球农业科技竞争战略制高点。美国作为合成生物技术的领头羊，多次以总统令的形式发布对合成生物技术的战略部署，2022年9月，时任总统拜登发布“推进生物技术和生物制造创新以实现可持续、安全和有保障的美国生物经济”的行政命令，举全国体制推动合成生物技术的创新应用。欧盟于2014年推出《欧洲合成生物学下一步行动》，“欧洲地平线”项目计划在2021—2027年投资1 000亿欧元用于支持合成生物等前沿基础和技术创新研究。英国2012年发布《合成生物学路线图》，2016年实施《英国合成生物学战略计划》[13-14]。

合成生物技术成为市场资本追逐的新方向。据统计，仅2021年第一季度，全球合成生物学市场的投资额高达46.08亿美元，同比增长409%（据Synbiobeta的数据显示，https://www.synbiobeta.com/）。巴斯夫、拜耳、陶氏化学等大型跨国化工集团斥巨资投入，金融和风险投资积极介入合成生物学领域，创立了以 Zymergen、Ginkgo Bioworks、Twist Science、Intrexon、Amyris等为代表的超过200家的初创企业（https://golden.com/query/list-ofsynthetic biology-companies-XKB）。在农业投资领域主要关注动物疫苗、生物饲料、农业用酶、非化学害虫控制和生物农药等方面，如美国的Pivot Bio公司采用合成生物技术开发了针对玉米作物的 Pivot Bio PROVEN 固氮产品，融资总额高达 6亿美元（www.pivotbio.com）；美国Indigo Agriculture公司基于作物微生物组开发出提高作物耐干旱胁迫的合成菌群微生物肥料，估值超35亿美元等（www.indigoag.com）。

核心技术创新取得突破。Shendure等[15]研发出低成本、高通量的新一代DNA测序技术，保障了“海量基因组信息”的快速积累，挖掘并建立了包含4万个代谢反应、5 000多个合成生物途径的大数据集。基因编辑、DNA合成技术、染色体工程技术、生物信息技术等前沿技术的快速发展，为元件设计、底盘适配和元件装配奠定了良好基础，加速了认识和改造生命的步伐，目前已发展到真核生物基因组的合成和优化阶段[16-19]。

研发出一批农业合成生物产品。研究人员开发出系列生物传感器，包括检测植物内源激素信号的荧光共振能量转移生物传感器ABACUS和ABAleon、检测植物营养物质改变的生物传感器cpFLIPPi以及对生物和非生物逆境做出反应的植物前哨生物传感器等[20-22]；创制出比野生型水稻叶酸含量高150倍的生物强化水稻，生长量提高40%的含有人工合成光呼吸旁路的水稻等新种质[23-24]；开发出系列细胞和植物工厂，如Amyris公司在酵母菌中构建了青蒿素半生物合成工艺，产量提高10倍[12]；在本氏烟草中重构天然产物的通路，成功合成长春花碱等多种天然活性物质[25-26]。

生物安全评价技术同步发展。各国在加强合成生物技术研发的同时，十分重视生物安全科技创新，在技术研发与产品应用的风险形成机理、安全评价与检测技术及产品研制方面取得一系列进展，努力构建全方位的生物技术安全科技支撑体系。基因组、转录组、蛋白组、代谢组等多组学协同识别合成特征，解析风险形成的分子机理和可能产生的非预期效应[27-30]。大数据驱动生物技术产品高效精准溯源及检测技术发展，实现对DNA的实时、无信号标记、无需标准物质的绝对定量测量[31-32]。此外，毒蛋白、过敏原数据库逐渐系统化，研制出系列环境和食用安全评价与检测产品、标准和规程[33-34]。

2.2 我国农业合成生物技术研发与应用

我国高度重视合成生物技术研究，积极加强合成生物技术战略布局，习近平总书记2015和2016年2次对合成生物学发展做出重要批示。“十三五”期间，科学技术部在合成生物学领域先后启动10项“973”计划项目和1项“863”计划重大项目；2018年启动国家重点研发计划合成生物学专项。《“十四五”国家科技创新规划》将合成生物技术列为引领产业变革的颠覆性技术。未来10～20年，我国将实施农业合成生物技术“三阶段跨越”发展战略，通过技术跨越（2020—2025）、产业跨越（2025—2030）和整体跨越（2030—2035），促进我国农业合成生物技术研究开发与产业化整体水平达到世界先进水平[4]。

我国合成生物学研究虽然起步稍晚，但呈现迅猛发展态势。研究人员发掘和表征了一批产量、抗盐碱、抗干旱、固氮泌铵、氮高效利用等元件[35-39]，评估了抗逆功能器件和最小或最佳固氮装置[40-41]，发展了利用微生物成像质谱和组合生物合成技术平台，合成了系列新型“非天然”聚酮化合物[42-43]，首次实现了利用二氧化碳合成淀粉[44]，创制了富含花青素的“紫晶米”等新种质[45]。此外，在高光效C4水稻的设计研究、人工耐铵泌铵固氮工程菌等创建方面也取得积极进展[46-49]。

3 农业合成生物的安全管理

合成生物技术是基因工程技术发展的新阶段，其潜在风险与转基因技术的风险点类似，存在误用滥用带来的伦理问题、生态安全风险和食用饲用安全风险。目前，国内外已建立了科学有效的转基因生物风险评估与安全管理体系，将农业合成生物产品纳入转基因生物监管体系，能够防控潜在风险，保障产业健康发展。

3.1 农业合成生物的潜在风险

3.1.1 伦理风险 合成生物技术突破了传统的自然进化历程和限制瓶颈，改变了人们对进化的认知，带来了差异化的生物伦理思考和担忧[50-51]。在农业领域，合成生物技术主要用于解决世界性农业难题，为光合作用、生物固氮、生物抗逆和生物质转化等难题提供解决途径，不会引起在医疗领域对生命不尊重等方面的伦理道德问题，但会产生误用滥用所引起的科技伦理问题，如将毒蛋白、过敏原、抗营养因子等导入底盘生物。所以，需要加强伦理审查，提升研究者的伦理规范意识，通过体制机制建设杜绝违背科技伦理的行为，趋利避害。

3.1.2 合成特征风险 合成生物中导入多个组件，与底盘生物整合过程中可能产生染色体重组、基因重排而干扰底盘生物的基因表达和特征特性，产生一些新的功能而引起非预期效应，以及组件能否稳定遗传等[52]。这些合成特征方面存在不确定性和复杂性，需要从组学水平精准解析合成特征，从分子水平识别生物组件对底盘生物基因表达和遗传稳定性的影响。

3.1.3 生态风险 合成生物改变了底盘生物的代谢途径和表型特征，其生存适应性不确定，有可能会改变其生存竞争能力；释放到环境中，导入的生物组件可能会通过基因飘流而在不同生物间传递，可能会对有益生物等其他非靶标生物产生潜在影响，也可能会对动物、植物和微生物生态群落以及有害生物地位演化产生影响等[53-54]。这些不确定性和复杂性都可能会带来一定的生态环境风险，需进行环境安全评估。

3.1.4 食用和饲用安全风险 合成生物存在插入的生物元件DNA片段和转录RNA的安全性，如表达蛋白是否会具有毒性、过敏性、致畸性等[55-57]；除了目标产物外，代谢中间产物多样，是否影响底盘生物的食用和饲用安全；外源基因插入而引起的底盘生物组成预期和非预期的变化，从而影响食用安全性问题等[58]。合成生物需要从营养学评价、新表达物质毒理学评价、致敏性评价等方面进行评估。

3.2 农业合成生物的安全管理

各国政府、国际组织、科研机构等基于对合成生物学理念的理解，结合合成生物特性，提出了合成生物学的管理设想。2014年，《生物多样性公约》第十二次缔约方大会明确了合成生物属于《卡塔赫纳生物安全议定书》中关于改性活生物体的范畴[57]。目前，欧盟、美国等以生物技术和遗传修饰生物为切入点对合成生物技术产品进行监管和治理[59-60]。

美国通过联邦立法为合成生物提供明确的制度依据，衍生出行业规范，实行从研发到市场全链条多头监管。实验室研究管理隶属于国家卫生研究所（National Institutes of Health，NIH），NIH 重组DNA咨询委员会认为，在多数情况下其生物安全风险类似于重组DNA研究，当前的风险评估框架能够用来评估合成生物的研究。为了提供关于合成核酸风险评估和管理研究的基本原则和程序框架，NIH将重组DNA分子研究指南改编用于重组或合成核酸分子的评估指南[61]。农业合成生物与转基因作物管理框架和模式相同，由农业部、环境保护署和食品药物管理局3个部门依据《生物技术管理协调框架》协同管理，重点评估产品的分子特征、环境安全和食用安全3方面[62]。

欧盟对新技术采取的是预防原则，认为新技术存在潜在风险，采取以过程为基础的安全评价管理模式，总体上对转基因产品控制十分严格。欧洲食品安全局是转基因生物安全管理的专门机构，负责对转基因产品全过程监控，并为欧盟委员会和各成员国相关法规的制定提供科学依据。欧盟认为合成生物仍属于重组DNA的技术范畴，已建立的转基因生物和病原体风险评估标准、方法和风险管理体系在农业合成生物监管中仍然适用，应将其纳入现有的转基因生物监管法律体系中[51,63-64]。

我国已建立了一套科学规范并符合国情的转基因生物安全管理体系，具有完善的法律法规体系、健全的管理体系和强有力的技术支撑体系。我国转基因生物安全评价既针对产品又针对过程，依照受体、基因、遗传操作的风险高低实行分级分阶段评价管理，在任何一个阶段发现任何一个对健康和环境不安全的问题，都将立即终止以确保安全。依据我国《农业转基因生物安全管理条例》对转基因生物的定义，农业合成生物也属于基因工程技术的范畴，依据转基因生物管理体系对其监管可有效防控风险。

4 结语

农业合成生物技术作为一项“会聚研究”技术，通过BT+IT的交叉融合，正在引领现代农业跨越发展，为解决农业发展的制约性问题、促进生物经济可持续发展提供了强有力的支撑，但也面临着风险和挑战，需要加强风险评估和安全监管。我国农业合成生物技术在国家的大力支持下，整体研发水平处于发展中国家领先地位，并向国际先进水平跨越，但在智能技术研发、技术集成创新、产业化应用等方面还存在一定差距。建议统筹布局，强化科技创新，加快推进元器件挖掘、人工智能、细胞工厂等基础研究，提升基础前沿与应用转化的融合。与此同时，加强风险评估和安全监管，科学防范风险，强化农业合成生物技术风险识别与预警、风险评估与检测、风险防控技术等安全创新研究，提高风险评估能力；加强生物安全监管，在现有转基因生物管理框架的基础上，基于主要国家合成生物安全管理政策逻辑分析框架，提出符合我国国情、与技术水平相协调的法律治理对策和生物安全监管机制，严格农业合成生物技术研发应用监管与科研伦理审查。