“合成生物學”重點專項 2018年度項目申報指南 （征求意見稿）  

合成生物學以工程化設(shè)計理念,，對生物體進行有目標的設(shè)計,、改造乃至重新合成?！昂铣缮飳W”重點專項總體目標是針對人工合成生物創(chuàng)建的重大科學問題,，圍繞物質(zhì)轉(zhuǎn)化,、生態(tài)環(huán)境保護、醫(yī)療水平提高,、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)等重大需求,，突破合成生物學的基本科學問題，構(gòu)建幾個實用性的重大人工生物體系,，創(chuàng)新合成生物前沿技術(shù),，為促進生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與經(jīng)濟綠色增長等做出重大科技支撐。

2018年本專項將圍繞基因組人工合成與高版本底盤細胞,、人工元器件與基因線路,、人工細胞合成代謝與復(fù)雜生物系統(tǒng)、使能技術(shù)體系與生物安全評估等4個任務(wù)部署項目,。

1. 人工基因組合成與高版本底盤細胞構(gòu)建

1.1原核生物基因組的人工設(shè)計與合成

研究內(nèi)容：針對大腸桿菌等模式原核生物，開展人工基因組的理性設(shè)計與化學合成研究,。發(fā)展原核基因組深度設(shè)計,、化學再造的新方法和新技術(shù)；進行基因組的系統(tǒng)簡化和高度簡約基因組的人工合成,、組裝與功能分析,。

考核指標：建立人工基因組的模塊化、適配性,、正交性,、成簇化的基本原則；創(chuàng)建大腸桿菌基因組設(shè)計合成與定制化重塑的

方法,；實現(xiàn)2-3種重要代謝通路等特殊功能的再造,；化學全合成基因組3.5 Mb以上。

1.2 真核微生物基因組的人工設(shè)計與合成

研究內(nèi)容：針對真核模式生物釀酒酵母等,，建立真核生物基因組的設(shè)計新原則和組裝新策略,，發(fā)展真核染色體深度設(shè)計再造與功能重塑的新方法和新技術(shù)；化學全合成深度設(shè)計酵母基因組,，研究真核基因組簡化的規(guī)律,。

考核指標：建立釀酒酵母人工基因組深度設(shè)計合成的新原則；建立酵母基因組的模塊化組裝和人工基因組精簡的新策略,；合成再造的釀酒酵母基因組精簡20%,；化學全合成染色體10 Mb以上。

1.3 高版本模式微生物底盤細胞

研究內(nèi)容：以解決生命科學研究中重大科學問題為導(dǎo)向,、以重要微生物為對象,，提升其研究性能或拓展其研究與應(yīng)用范圍而進行微生物比較與進化基因組分析，或系統(tǒng)與定量生物學分析,，實現(xiàn)生理或遺傳的數(shù)字建?；?和“底盤化”細胞的理性設(shè)計,、編輯、重構(gòu)及相關(guān)研究,。

考核指標：針對重要微生物的研究目標,，建立多層次基因組結(jié)構(gòu)功能分析體系或模塊化微生物數(shù)字細胞，實現(xiàn)較強的預(yù)測能力,；建立相應(yīng)的全基因組及特殊基因模塊的理性設(shè)計體系,；實現(xiàn)基因組改造與重編程以及基因表達的精細調(diào)控；構(gòu)建4-5種在所設(shè)計的生物學功能上具有顯著超越現(xiàn)有天然細胞的人工高版本底盤細胞,，并進行相關(guān)功能測試,。其中，1-2種人工底盤細胞在科研應(yīng)用中獲得突破性進展,。

1.4 微藻底盤細胞的理想設(shè)計與系統(tǒng)改造

研究內(nèi)容：研究微藻底盤細胞設(shè)計,、開發(fā)通用技術(shù)和工具，實現(xiàn)微藻基因組的編輯,、大片段刪減和功能模塊的穩(wěn)定表達,；研究微藻細胞代謝和生理功能模塊, 再設(shè)計、組裝和適配高效的生物合成與調(diào)控功能模塊,；研究微藻底盤細胞的逆境適應(yīng)機理,，提升其適應(yīng)力，開展合成微藻的工程化示范,。

考核指標：建立聚球藻,、鞘絲藻、微擬球藻等可工程化微藻的高效遺傳操作與基因組編輯改造技術(shù),，構(gòu)建2種以上基因組簡化,、具有多重可調(diào)控基因回路、可編程控制產(chǎn)物積累的新型微藻底盤細胞,；實現(xiàn)1-3個微藻代謝和生理功能模塊的鑒定,、重構(gòu)，開發(fā)3-5種重要能源化工產(chǎn)品和高值天然產(chǎn)物的生物合成與調(diào)控模塊,，突破天然生物合成的調(diào)控和效能限制,，實現(xiàn)目標產(chǎn)品的高效固碳合成；鑒定,、設(shè)計8-10種可移植型微藻抗逆功能元件,，獲得可在大規(guī)模培養(yǎng)條件下應(yīng)用的微藻底盤細胞和細胞工廠，實現(xiàn)合成微藻制造的工程化示范 ,。

1.5高版本工業(yè)放線菌底盤

研究內(nèi)容：研究外源復(fù)雜生物合成途徑在放線菌底盤中的適配機制（包括產(chǎn)物對底盤耐受,，底物供給與輔酶平衡，合成元件的翻譯后修飾等機制），開發(fā)人工蛋白骨架技術(shù)以及高效率多靶點的基因編輯技術(shù),，構(gòu)建基于多組學分析和體外重建系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型,，將放線菌底盤服務(wù)于新產(chǎn)物挖掘和藥物高產(chǎn)。

考核指標：建立針對聚酮,、萜類,、核糖體肽、氨基糖苷等產(chǎn)物異源表達和高產(chǎn)的放線菌底盤細胞,，實現(xiàn)100 Kb以上基因簇的

抓取和異源表達,，實現(xiàn)通用、高效率,、多靶點的基因編輯技術(shù)在放線菌底盤中的應(yīng)用,，實現(xiàn)人工骨架對合成元件的體內(nèi)重構(gòu)，建立高通量高靈敏度的中間代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物檢測平臺,，利用底盤細胞實現(xiàn)50種以上新功能催化元件的表征,，實現(xiàn)1-2種天然產(chǎn)物在放線菌底盤的發(fā)酵中試，并完成其臨床前評價,，獲得3個重大產(chǎn)品的工業(yè)新菌株,，發(fā)酵濃度、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率提升10%以上,，5個產(chǎn)品實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用 ,。

1.6高版本工業(yè)絲狀真菌底盤

研究內(nèi)容：針對開發(fā)分別適用于蛋白質(zhì),、生物基化學品等工業(yè)化生產(chǎn)的通用絲狀真菌底盤細胞的科學技術(shù)問題,，研究底盤代謝途徑、生物大分子合成與外泌,、細胞生長與生理,、遺傳與發(fā)育分化等系統(tǒng)生物學問題；發(fā)展與完善底盤細胞的基因組設(shè)計與重編程技術(shù)體系,；設(shè)計,、重構(gòu)、組裝高效功能模塊及核心骨架代謝途徑,，提升絲狀真菌底盤的通用性和特征性工業(yè)性能,。

考核指標：解析工業(yè)絲狀真菌底盤細胞代謝冗余、生長速度,、生長溫度等關(guān)鍵生理特征的調(diào)控機制,，以指導(dǎo)針對外源生物大分子合成外泌、復(fù)雜原料利用,、副產(chǎn)物消除等工業(yè)生產(chǎn)屬性提升的底盤細胞改造重構(gòu),；實現(xiàn)絲狀真菌基因組水平設(shè)計與重編程，構(gòu)建3-4種生產(chǎn)性能顯著提升、并在蛋白質(zhì)或生物基化學品等類別產(chǎn)品生產(chǎn)中具有通用性的工業(yè)絲狀真菌底盤,；實現(xiàn)2-3種絲狀真菌底盤細胞在蛋白質(zhì),、重要生物基化學品生產(chǎn)中的工業(yè)化測試，其中1-2種重要大宗產(chǎn)品實現(xiàn)45度以上高溫發(fā)酵,，1-2種重要產(chǎn)品使用新底盤實現(xiàn)萬噸級工業(yè)化生產(chǎn) ,。

1.7植物底盤的設(shè)計與構(gòu)建

研究內(nèi)容：發(fā)展和完善植物底盤基因組水平設(shè)計與重構(gòu)的技術(shù)，構(gòu)建通用植物底盤系統(tǒng),；解析重要植物活性代謝物的生物合成,、調(diào)控及轉(zhuǎn)運的分子機制；設(shè)計和重塑植物次級代謝及調(diào)控等特化性狀,。

考核指標：針對萜類,、苯丙烷類、黃酮類,、生物堿類等重要次級代謝物,，設(shè)計4-5種目標專一的通用植物底盤系統(tǒng)，建立相應(yīng)功能元器件的表征方法和技術(shù)平臺,；研發(fā)植物底盤設(shè)計,、構(gòu)建與重編程的原理、方法和技術(shù)及優(yōu)化算法,，建立植物底盤代謝模型,；在植物底盤中鑒定并表征一批重要元器件，發(fā)現(xiàn)并驗證若干次生代謝通路或關(guān)鍵步驟,，實現(xiàn)一批（.10種）重要活性代謝物的有效,、定向合成，部分產(chǎn)物含量達到干重的千分之三以上,。

2. 人工元器件與基因回路

2.1生物元器件標準化設(shè)計組裝與應(yīng)用

研究內(nèi)容：基于生物元件的產(chǎn)物靶向催化功能和底盤靶向調(diào)控功能,，研究目標特定的普適元器件功能表征標準及相關(guān)技術(shù)；研發(fā)針對特殊目標的通用基因元件組裝標準技術(shù)體系,；通過挖掘,、設(shè)計、構(gòu)建與測試,，獲得高性能元件,。探索人工生命系統(tǒng)中多個元器件之間及其與底盤細胞系統(tǒng)的相容性、適配性,、穩(wěn)定性,、可控性的影響因素，發(fā)展生物元件的功能預(yù)測與設(shè)計的新算法,。研發(fā)與生物元件相關(guān)數(shù)據(jù)標準化整合,、交互共享,、高效利用的方法，建立統(tǒng)一的,、適應(yīng)特定需求的生物元件庫及相關(guān)高維度知識集成的優(yōu)質(zhì)元件設(shè)計平臺,，提供研發(fā)應(yīng)用 。

考核指標：針對天然化合物的合成生物學研發(fā),，基于大腸桿菌,、放線菌和酵母等重要底盤細胞，獲得一批（>10萬個）具有表征信息的催化和調(diào)控生物元器件并有文獻支撐,；建立.20種與天然化合物合成或底盤細胞調(diào)控/正交線路構(gòu)建等功能相關(guān)的生物元器件功能預(yù)測,、設(shè)計、標準化表征,、改造與構(gòu)建的技術(shù),；構(gòu)建50-100個跨物種的普適性新功能調(diào)控元件，研發(fā).10種響應(yīng)各種物理和化學信號的高效生物感應(yīng)新元件,，完成其在模式底盤細胞中的功能測試,；形成針對3-5種通用底盤細胞的生物功能模塊設(shè)計與構(gòu)建技術(shù)平臺，實現(xiàn)人工生命系統(tǒng)設(shè)計的快速迭代,，實施創(chuàng)新基因元件組裝標準技術(shù)體系,；配套建立具有提供生物元件與底盤細胞數(shù)據(jù)信息標準化遞交和交互查詢功能、整合生物元器件分析和設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)的在線共享平臺,，應(yīng)用于天然化合物異源合成和高版本微生物底盤設(shè)計 ,。

2.2 重要病原體疫苗的人工合成

研究內(nèi)容：開展全合成、安全可控的高變異病原體減毒疫苗的理論基礎(chǔ),、設(shè)計原則,、合成和評價研究；建立基于全病原體和基因組高級結(jié)構(gòu)的大片段設(shè)計,、合成與拼接組裝技術(shù),，開關(guān)元件人工基因回路設(shè)計技術(shù),，特異性免疫回路調(diào)控技術(shù),，選擇性擴增模型，快速變異評價模型,；打通重要病原體疫苗人工設(shè)計合成和定向改造的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),，實現(xiàn)高特異性、智能性,、適應(yīng)性減毒疫苗的全合成,。

考核指標：建立病原體疫苗人工合成的新理論與技術(shù)體系，掌握模塊化人工疫苗的設(shè)計和制備原則,；解析重要病原體基因組

和全病原體的高級結(jié)構(gòu)3-5種,，確定1-2種基于高級結(jié)構(gòu)的基因組設(shè)計原則；獲得3-5種標準化、精確調(diào)控的分子開關(guān)和免疫回路元件,；建立2-3種病原體選擇性高效擴增模型和快速變異評價模型（如全細胞內(nèi)化模型）,；獲得2-3種保留病原體原始抗原結(jié)構(gòu)的人工合成候選疫苗，完成疫苗株穩(wěn)定性,、免疫效力和安全性評價,。

2.3合成溶瘤病毒與腫瘤治療

研究內(nèi)容：建立適用于溶瘤病毒的腫瘤治療人工基因回路的設(shè)計合成、功能分析,、計算模擬技術(shù)體系,，研究溶瘤病毒免疫調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境的理論基礎(chǔ)，建立溶瘤病毒產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝,、穩(wěn)定性和安全性評價技術(shù)體系,。

考核指標：建立不少于50個適用于溶瘤病毒的標準化基因元件和模塊，建立1-2項人工基因回路控制溶瘤病毒的設(shè)計原則,。建立1-2項溶瘤病毒免疫調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境的計算模擬和功能分析技術(shù)平臺,。獲得不少于3種溶瘤病毒產(chǎn)品在模式動物腫瘤模型測試中達到顯著治療效果，完成1-2項溶瘤病毒品種的生產(chǎn)工藝研究,，完成1-2種溶瘤病毒產(chǎn)品的有效性,、穩(wěn)定性和安全性評價，獲得1-2個溶瘤病毒產(chǎn)品的臨床試驗批件,。

2.4抗逆基因回路設(shè)計合成與抗逆育種

研究內(nèi)容：圍繞農(nóng)作物耐鹽堿和耐旱,、工業(yè)微生物抗酸、抗高溫性能,，重點研究相關(guān)自然抗逆回路的作用機制,、植物和微生物趨同抗逆途徑的生物學基礎(chǔ)；建立通用人工智能抗逆模塊和回路的設(shè)計原則,、評估模型和高通量篩選平臺,；探索建立多功能抗

逆回路設(shè)計與評價的新方法；結(jié)合玉米或棉花等農(nóng)作物及微生物育種,，開展人工抗逆回路的適配性和系統(tǒng)優(yōu)化研究,，進行田間規(guī)模種植示范和工廠發(fā)酵生產(chǎn)示范。

考核指標：獲得10-20種高效抗逆元器件,；實現(xiàn)5-7個人工智能抗逆模塊和回路的有效適配與系統(tǒng)優(yōu)化,；“完成/進行”10 畝以上田間種植示范及0.1-3000立方米以上工廠發(fā)酵生產(chǎn)示范。實現(xiàn)指標包括：模式植物耐受2%鹽濃度,，農(nóng)作物耐受中度鹽堿化,、耐旱節(jié)水15%，重要工業(yè)微生物耐受pH 下降1-1.5個單位,，發(fā)酵溫度提高3-4℃,，節(jié)能降耗約15%,。

2.5高靈敏環(huán)境持久性有毒污染物感知與識別生物系統(tǒng)

研究內(nèi)容：針對二惡英類、有機氯,、硝基多環(huán)芳烴等持久性有毒污染物,，明晰生物體對持久性有毒污染物的信號識別、信號傳遞,、信號響應(yīng)等基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制及關(guān)鍵分子,，設(shè)計組裝新型污染物識別元件及高效傳感通路，優(yōu)化識別分子及生物響應(yīng)元器件,，應(yīng)用基因編輯構(gòu)建針對持久性有毒污染物的高靈敏人工感知生物元器件,，提高污染物傳感通路的效率及識別元件的特異性，組裝污染物感知與識別合成生物系統(tǒng),，研究環(huán)境中持久性有毒污染物識別與分析中的適用性及檢測能力 ,。

考核指標：明晰3-5種持久性有毒污染物的識別生物分子、傳感通路,、響應(yīng)基因等感知元件,，構(gòu)建2-3種污染物識別、傳感與生物響應(yīng)的人工感知生物元器件,，組裝1-2種高靈敏污染物感知與識別合成生物系統(tǒng),，檢測的靈敏度超出現(xiàn)有同類生物傳感指標，并能應(yīng)用于實際環(huán)境樣品持久性有毒污染物的監(jiān)測,。

2.6難降解有毒污染物降解代謝合成生物體系

研究內(nèi)容：針對水體,、土壤環(huán)境中難降解有毒污染物原位治理的難題，在微生物系統(tǒng)中挖掘降解基因,、轉(zhuǎn)運基因,、分子開關(guān)、抗逆基因,，理性設(shè)計降解通路,，系統(tǒng)優(yōu)化高效降解元器件，提高合成生物細胞運動,、聚集,、互作功能以及對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，設(shè)計組裝多功能代謝網(wǎng)絡(luò),，利用人工干預(yù)手段構(gòu)筑難降解有毒污染物降解代謝的合成生物體系,，開展人工降解代謝體系在區(qū)域性污染物原位治理以及規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究,。

考核指標：針對難降解有毒污染物，發(fā)掘3-5種化合物降解代謝分子元器件,，構(gòu)筑2-3種化合物的高效降解代謝生物元器件,。開發(fā)針對2-3種難降解有毒污染物降解代謝的人工微生物,，完成至少2項污染治理新技術(shù)中試，并形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用,。

2.7電能細胞設(shè)計與構(gòu)建

研究內(nèi)容：研究電能細胞還原力、代謝調(diào)控和雙向電子傳遞的系統(tǒng)作用機制,，設(shè)計構(gòu)建提高電能細胞導(dǎo)電及電能利用效率的生物元件及系統(tǒng),。

考核指標：實現(xiàn)2-3種電子傳遞載體的生物合成，設(shè)計合成提高導(dǎo)電效率的跨膜導(dǎo)電色素蛋白支架（骨架）和胞外人工導(dǎo)電納米線,；闡明絲狀電纜微生物細胞的長距離電子傳遞機制,，提高工程化效率；模塊化設(shè)計合成5-10種高效雙向電子傳遞的電能細胞,，使工程菌電能輸出功率密度高于10W/m2,；構(gòu)建1-3套電化學-微生物融合的復(fù)合電催化體系和高效生物電合成系統(tǒng)裝備，實現(xiàn)以電能為還原力高效合成高級醇等高附加值化學品,。

3.特定功能的合成生物系統(tǒng)

3.1微生物化學品工廠的設(shè)計重構(gòu)

研究內(nèi)容：針對特定化學品的生物合成,，研究微生物細胞工廠的設(shè)計原理，設(shè)計重要化學品的最優(yōu)合成途徑,，重構(gòu)微生物生化合成網(wǎng)絡(luò),，組裝人工代謝途徑；研究生物元件,、途徑,、細胞及環(huán)境的適配機制，解決代謝物質(zhì)流和能量流的定向控制問題,，構(gòu)建高效的微生物化學品工廠,，建立化工產(chǎn)品的微生物合成關(guān)鍵技術(shù)，實施重要化學品微生物合成技術(shù)的應(yīng)用示范,。

考核指標：開發(fā)出化學品合成途徑設(shè)計預(yù)測軟件,，準確率國際領(lǐng)先；明確3種以上滿足原子經(jīng)濟性高或還原力平衡的最優(yōu)合成途徑設(shè)計原則,，闡明3-5種元件,、途徑,、細胞及環(huán)境的適配機制,；完成不少于10種有機化學品的合成途徑重構(gòu)設(shè)計,，獲得不少于5個新的微生物化學品工廠，目標化學品生物合成原子經(jīng)濟性接近或突破自然途徑理論值,，經(jīng)濟技術(shù)指標優(yōu)于目前化學工藝,；實現(xiàn)2-3個千噸級至萬噸級工程化應(yīng)用示范,，相比現(xiàn)有化工生產(chǎn)路線,，生產(chǎn)成本降低50%以上,，污染物排放減少90%以上 。

3.2有機碳一原料利用的人工細胞構(gòu)建

研究內(nèi)容：研究有機碳一原料的生物轉(zhuǎn)化分子基礎(chǔ)與調(diào)控機制,，重構(gòu)有機碳一分子的細胞吸收與胞內(nèi)轉(zhuǎn)化的代謝及調(diào)控網(wǎng)絡(luò),，設(shè)計,、創(chuàng)建及優(yōu)化以碳一分子為原料合成重要化合物的人工細胞，提高有機碳一化合物的生物利用速率,，建立有機碳一原料生物轉(zhuǎn)化與發(fā)酵技術(shù)，實施人工生物轉(zhuǎn)化利用有機碳一原料的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)示范。

考核指標：發(fā)現(xiàn),、表征和優(yōu)化不少于10個有機碳一利用分子元件，設(shè)計合成5個以上新的有機碳一分子碳鏈延長關(guān)鍵生物元件,，設(shè)計構(gòu)建10條以上有機碳一原料生物轉(zhuǎn)化的人工途徑，創(chuàng)建5個以上非天然利用有機碳一原料的高效人工細胞,，有機碳一原料利用速度與葡萄糖利用速度相當；實現(xiàn)甲醇等制備高碳醇,、氨基酸,、有機酸、油脂等產(chǎn)品的中試到千噸級產(chǎn)業(yè)示范，目標產(chǎn)品生產(chǎn)成本具有市場競爭力,。

3.3新分子生化反應(yīng)設(shè)計與合成生物系統(tǒng)創(chuàng)建

研究內(nèi)容：研究新生化反應(yīng)與新酶設(shè)計的基本原理,，設(shè)計,、合成有新催化活性的人工生物酶，創(chuàng)建碳鏈和功能基團增減,、重排,、氧化還原、氮素高效轉(zhuǎn)化利用等人工設(shè)計的新生化反應(yīng),，創(chuàng)建新分子生物合成途徑,，進行人工酶,、人工途徑的組裝與適配,，打通非天然,、難合成分子的生物合成路線,，建立新分子的規(guī)?；锖铣杉夹g(shù)體系,。

考核指標：建立新酶設(shè)計方法,，確立非天然生化反應(yīng)與生物合成途徑設(shè)計原則,。建成1個優(yōu)質(zhì)生物酶數(shù)據(jù)庫,，具有1萬個以上生物酶的詳細催化參數(shù),；開發(fā)1-3套新酶計算設(shè)計工具，具備過渡態(tài)分析,、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測,、催化活性預(yù)測等功能；設(shè)計2-3類催化分子機理清晰的人工生物新酶,，實現(xiàn)自然生物不能催化或難催化的反應(yīng),；創(chuàng)建無碳損的新分子生物合成新途徑,；構(gòu)建雜氮環(huán),、間苯三酚,、.-甲基戊內(nèi)酯等3-5種化工難合成或非天然分子的高效生物合成新路徑 。

3.4非細胞生物合成系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

研究內(nèi)容：針對目標應(yīng)用技術(shù)體系,，開展非細胞合成途徑的熱力學和動力學模擬研究，設(shè)計合成超穩(wěn)酶的元件和人工輔酶元件,，研究酶元件,、輔酶元件的體外組裝與多酶級聯(lián)反應(yīng)調(diào)控機制，解決非細胞生物合成系統(tǒng)組裝的適配性,、穩(wěn)定性,、有效性等問題，構(gòu)建先進的非細胞生物合成系統(tǒng),，建立以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)高附加值化學品的非細胞生物合成技術(shù)，實施非細胞生物合成系統(tǒng)的應(yīng)用示范,。

考核指標：闡明人工酶系組裝與穩(wěn)定的分子機制,，構(gòu)建庫容大于1000的超穩(wěn)人工酶元件庫,，創(chuàng)建5個以上非天然生物酶，創(chuàng)建20種以上的人工輔酶元件,，其中3-5個人工輔酶的性能接近或達到天然輔酶,；構(gòu)建20個以上的人工多酶復(fù)合體,，建立10種以上化學品非細胞生物合成新途徑；完成5種以上稀少糖,、維生素,、醫(yī)藥原料等高附加值精細化學品的非細胞合成技術(shù),，完成從生物質(zhì)合成高附加值特種人造淀粉的非細胞合成技術(shù)，實現(xiàn)2種以上產(chǎn)品實現(xiàn)千噸級至萬噸級的應(yīng)用示范,，與現(xiàn)有工藝相比,，生產(chǎn)成本降低50%以上,，污染物排放減少90%以上。

3.5植物天然產(chǎn)物合成的工程細胞構(gòu)建

研究內(nèi)容：針對已知合成途徑的植物天然產(chǎn)物,，研究合成途徑中關(guān)鍵酶催化效率和專一性的分子機制,；研究外源基因在底盤細胞中的組裝、適配機制和細胞全局調(diào)控機制,，發(fā)展植物天然產(chǎn)物合成的高效基因組裝和基因組編輯技術(shù),，開發(fā)植物天然產(chǎn)物的微生物工程細胞合成技術(shù)，并實施應(yīng)用示范,。

考核指標：闡明4種以上基因元件,、途徑與底盤細胞的適配

原理，創(chuàng)建含8個以上外源基因的天然產(chǎn)物復(fù)雜合成途徑,；構(gòu)建出20種以上植物天然產(chǎn)物高效合成的微生物工程細胞,，其中天麻素等5種天然產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)量不低于15克/升,；建立5條以上噸級規(guī)模應(yīng)用示范生產(chǎn)線，發(fā)酵生產(chǎn)成本低于植物提取或化學合成成本50%以上,。

3.6微生物天然產(chǎn)物的新結(jié)構(gòu)創(chuàng)制和構(gòu)效改良

研究內(nèi)容：發(fā)現(xiàn)新型微生物天然產(chǎn)物生物合成酶和調(diào)控元件,，研究其在天然產(chǎn)物合成中的工作機制；構(gòu)建天然產(chǎn)物合成的生物元件庫,；設(shè)計和構(gòu)建微生物天然產(chǎn)物的人工生物合成途徑及合成體系,，創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)、新功能,、高藥效的天然產(chǎn)物庫,。

考核指標：構(gòu)建庫容大于2000的生物合成元件庫,；挖掘和解析20個以上催化新反應(yīng)、構(gòu)建新結(jié)構(gòu)的新型酶元件,；創(chuàng)建10個以上重要抗菌和抗腫瘤等微生物天然產(chǎn)物人工生物合成體系,；獲得200個以上新結(jié)構(gòu)天然產(chǎn)物,，其中3種以上為藥物先導(dǎo)化合物,。

3.7油藏環(huán)境合成微生物組的構(gòu)建

研究內(nèi)容：開展高含水,、稠油油藏環(huán)境合成微生物組理性設(shè)計與構(gòu)建原理的研究,，開發(fā)高效,、穩(wěn)定可控的高含水,、稠油油藏微生物組的定向合成與調(diào)控技術(shù)，實施合成微生物組提高石油采收率的示范應(yīng)用,。

考核指標：獲得石油烴互養(yǎng)代謝模塊，微生物互作功能模塊與微生物互作,、互養(yǎng)基因回路；設(shè)計構(gòu)建出含有5種核心功能微生物的微生物組群,；闡明代謝分工、互養(yǎng),、互作等對合成微生物

組功能與魯棒性的影響,，實現(xiàn)油藏合成微生物組功能的可編程化,；在2-3個溫度大于80度的高溫油藏開展合成微生物組的現(xiàn)場試驗；實現(xiàn)150口以上關(guān)停高含水稠油油井的現(xiàn)場應(yīng)用,，實現(xiàn)已關(guān)停稠油油井的重新采油，提高石油產(chǎn)量80,000噸以上,。

3.8低劣生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用的人工多細胞體系構(gòu)建

研究內(nèi)容：設(shè)計構(gòu)建人工多細胞體系，研究體系中菌群協(xié)作和適配的信號通訊,、群體行為關(guān)系和調(diào)控,，實現(xiàn)從低劣生物質(zhì)到有用化學品的高效轉(zhuǎn)化。

考核指標：建立系統(tǒng)魯棒,、穩(wěn)定和可控的包含5個工程細胞的人工多細胞體系，闡明低劣生物質(zhì)轉(zhuǎn)化人工多細胞體系的協(xié)作機制,；創(chuàng)建4個以上識別和消除低劣生物質(zhì)中脅迫因子的人工協(xié)作菌群,，實現(xiàn)人工多細胞體系魯棒性和穩(wěn)定性,；實現(xiàn)低劣生物質(zhì)為原料有機酸衍生物,、氨基酸衍生物,、表面活性劑等的高效生物制備,；產(chǎn)物合成收率達到理論值的80%以上，實現(xiàn)百噸級的產(chǎn)業(yè)化示范,。

4.使能技術(shù)體系與生物安全評估

4.1高通量DNA合成創(chuàng)新技術(shù)及儀器研發(fā)

研究內(nèi)容：開發(fā)化學法DNA合成新技術(shù),、復(fù)雜結(jié)構(gòu)序列的高效合成技術(shù)和大片段DNA高效組裝技術(shù)；研制基于高通量芯片的原位組裝控制系統(tǒng)及儀器,。

考核指標：開發(fā)2-3種全新的DNA合成技術(shù)體系,；研制出新一代DNA合成儀及低成本配套試劑，與現(xiàn)有技術(shù)相比DNA合成綜合成本降低1-2個數(shù)量級,，基因合成成本單堿基不高于0.01元,，

寡核苷酸單堿基不高于0.001元；形成1 Mb以上的DNA自動高保真合成,、組裝能力；實現(xiàn)5000樣品/天的DNA自動化克隆通量,；實現(xiàn)10 Mb/天DNA自動化組裝能力,。開發(fā)1套從數(shù)據(jù)庫到自動化設(shè)備的DNA合成組裝全流程信息化控制軟件。

4.2合成生物學倫理評估,、政策法規(guī)與公眾教育科普體系構(gòu)建

研究內(nèi)容：參考全球范圍內(nèi)現(xiàn)有的合成生物學研究和應(yīng)用的有關(guān)政策和法規(guī),，為政府制定符合中國國情的、可行的合成生物學研究與應(yīng)用的政策提供倫理,、法律和社會支撐,。研究重點包括：考察合成生物學研究的目的、手段與特征,，鑒別合成生物學在研究和產(chǎn)業(yè)化過程中可能涉及到的倫理問題,；研究合成生物學實驗室管理、市場準入以及安全監(jiān)管等方面的規(guī)范,，提出應(yīng)對生物安全和生物安保問題的政策,、法律與管理措施,；研究合成生物學相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)問題；研究公眾對合成生物學的認知與可接受性,，建立可持續(xù)的科學家與公眾的對話機制,，營造理性的科學文化。

考核指標：（1）建立合成生物學研究和應(yīng)用的倫理規(guī)范,，針對合成生物學在能源,、醫(yī)藥、材料,、農(nóng)業(yè),、食品和環(huán)境等不同領(lǐng)域研究和應(yīng)用的具體情況，制定具有可操作性的具體的倫理準則,、市場準入規(guī)范和政府監(jiān)管政策建議,；（2）針對合成生物學涉及的生物安全和生物安保問題，制定行之有效的實驗室研究和安全管理規(guī)范和實施辦法,，并提出相關(guān)的立法建議稿（生物安全與公開和共享的關(guān)系）,；（3）制定促進合成生物學從發(fā)現(xiàn)到創(chuàng)新、從“專有/閉環(huán)/監(jiān)管”到“共享/開放/創(chuàng)新”的知識產(chǎn)權(quán)機制,；（4）建立常

態(tài)化的合成生物學公眾教育平臺,，開發(fā)科研成果的公共溝通渠道和公眾參與途徑。

5.部市聯(lián)動任務(wù)指南

5.1 藥用單細胞真核微藻工程株的設(shè)計構(gòu)建#

研究內(nèi)容：開展萊茵衣藻,、原始小球藻,、微擬球藻等單細胞真核微藻細胞器基因組的人工設(shè)計、合成和改造研究,，建立穩(wěn)定高效的定向同源編輯及外源基因表達體系,，設(shè)計構(gòu)建系列藥用單細胞工程藻株庫，開展新型藥用單細胞真核藻株規(guī)?；囵B(yǎng)與藥物生產(chǎn)的工程示范,。  

考核指標：完成2-3種單細胞真核綠藻細胞器的全基因組人工合成，構(gòu)建帶有合成及定向改造細胞器基因組的藻株,；實現(xiàn)3-5個生物藥物合成途徑在微藻葉綠體或核基因組中的構(gòu)建,、組裝和調(diào)控表達；構(gòu)建并篩選出藥用單細胞真核工程藻50株系以上,；建立噸級藥用單細胞真核藻株培養(yǎng)與藥物生產(chǎn)的工程示范,。

5.2 DNA 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)#

研究內(nèi)容：開發(fā)高效快速、高密度數(shù)據(jù)加密編碼轉(zhuǎn)碼,，隨機讀取,，無損解讀新方法；開發(fā)多類型數(shù)據(jù)存儲DNA介質(zhì),；開發(fā)快速編碼,，合成,，存儲及數(shù)據(jù)讀取的集成型軟件系統(tǒng)。  

考核指標：開發(fā)1套DNA數(shù)據(jù)編碼算法,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息到DNA的高密度存儲（單位編碼效率bits/base > 1.6）,；開發(fā)1套DNA糾錯及索引算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無損解讀,；開發(fā)1套分區(qū)及隨機讀取流程,，實現(xiàn)DNA數(shù)據(jù)存儲的隨存隨取,；開發(fā)1套適用不同類型數(shù)據(jù)到DNA序列轉(zhuǎn)換算法,。

5.3 腫瘤的合成微生物線路治療#

研究內(nèi)容：構(gòu)建實體瘤治療相關(guān)基因元器件、多基因模塊交互數(shù)理分析模型,。研究基因回路精確控制機理,、適配性組裝機理及體內(nèi)環(huán)境下的基因回路設(shè)計原理等關(guān)鍵科學問題。發(fā)展合成微生物治療實體瘤的理論與實用方法,，闡明新型基因線路定量手段和多基因線路組裝的基礎(chǔ)理論,，開發(fā)新型基因回路體外測試技術(shù)，闡明合成微生物在實體瘤治療過程中體內(nèi)的免疫學效應(yīng)與變化,，建立合成微生物治療實體瘤評價體系和應(yīng)用方案,。 

考核指標：構(gòu)建10-20個實體瘤識別、治療與適配模塊,；構(gòu)建3-5個針對實體瘤特異識別,、高效干預(yù)的基因回路；開發(fā)1-2種基因線路體內(nèi)定量技術(shù),；建立1-2種新型體外腫瘤微環(huán)境模擬系統(tǒng),；建立合成菌株與腫瘤共培養(yǎng)的生理模型；開發(fā)3-5種載有基因診療回路的合成微生物,；完成臨床前醫(yī)學和藥學評價,。

5.4 腫瘤細胞基因回路在膀胱癌診療中的應(yīng)用#

研究內(nèi)容：設(shè)計基因回路調(diào)控膀胱癌腫瘤細胞復(fù)雜信號網(wǎng)絡(luò)，有效區(qū)分和干預(yù)腫瘤細胞,；創(chuàng)建基因回路組裝集成，定量控制的理論原理,；建立基因線路調(diào)控膀胱癌等惡性腫瘤細胞,、腫瘤相關(guān)免疫細胞以及腫瘤干細胞命運的技術(shù)體系；開發(fā)膀胱癌靶向大容量基因線路傳遞系統(tǒng)和標準化,、模塊化佐劑,。

考核指標：構(gòu)建10-30個適用于腫瘤細胞環(huán)境的標準化基因元件和模塊；設(shè)計3-5種調(diào)控膀胱癌等惡性腫瘤細胞命運的基因回路,；集成1-2套智能識別和干預(yù)惡性腫瘤,、腫瘤微環(huán)境及腫瘤干細胞的細胞治療性產(chǎn)品并完成安全性及有效性評價研究,。  

5.5 高效醫(yī)學生物成像元件庫的挖掘與應(yīng)用研究#

研究內(nèi)容：挖掘和鑒定生物合成超聲或光聲造影劑的生物體系，構(gòu)建生物合成醫(yī)學造影劑的種子資源庫,；研究造影劑生物合成的分子機制與調(diào)控網(wǎng)絡(luò),，重構(gòu)細胞或微生物合成造影劑的生物合成途徑及其酶學圖譜；設(shè)計,、創(chuàng)建及優(yōu)化合成造影劑的人工細胞或微生物系統(tǒng),，建立標準化、規(guī)?；?、功能化生物合成醫(yī)學造影劑的關(guān)鍵技術(shù)和平臺，實施造影劑生物合成技術(shù)的應(yīng)用示范,。  

考核指標：篩選,、鑒定和表征不少于10個合成超聲或光聲造影劑的生物體系，創(chuàng)建3-5個造影劑的生物合成途徑及其酶學圖譜,，明確5-10個造影劑生物合成關(guān)鍵基因及其調(diào)控機制,； 完成5-10個高效合成造影劑的人工細胞或生物系統(tǒng)的重構(gòu)設(shè)計，獲得不少于5個能用于醫(yī)學影像應(yīng)用的造影劑或分子探針,；實現(xiàn)生物合成造影劑在疾病診療方面的應(yīng)用示范,。

5.6 合成生物學自動化鑄造平臺關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)#

研究內(nèi)容：完成合成生物學自動化鑄造平臺的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)設(shè)備儀器互聯(lián)互通與自動化控制,；針對最核心的菌株設(shè)計改造等任務(wù),，優(yōu)化實驗流程并開發(fā)云平臺的高級設(shè)計軟件，實現(xiàn)菌株改造的全流程自動化,；自主研發(fā)自動化實驗設(shè)備,，執(zhí)行高精度、高通量移液與生物顆粒的高靈敏,、高通量,、多參數(shù)光學檢測分析等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

考核指標：實現(xiàn)合成生物學自動化鑄造平臺的模塊化,、智能化,、柔性化系統(tǒng)集成，可并行處理工藝操作≥2,，完成動態(tài)信息采集及實驗過程的信息化管理,，所提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)具有分布式匯總及初級分析能力；3-5種模式菌株的合成改造實現(xiàn)全流程自動化,，可由云平臺遠程操縱,，且實驗效率比人手提高1個數(shù)量級以上，通量達到5000菌株/月；高精度移液的液滴最小精度<20nL,，可同時進行移液操作≥2個,；高通量移液實現(xiàn)8 96移液通道，移液誤差100μl加樣針<2％,，1ml加樣針<1％,，5ml加樣針<0.6％；生物顆粒分析參數(shù)≥3個（如粒徑,、計數(shù),、濃度等），單顆粒檢測最小粒徑<1μm,，熒光檢測靈敏度≤50MESF,，采樣率≥10000顆粒/分鐘；多顆粒檢測最低檢測量≤2μL/孔,，吸光度靈敏度≤0.001Abs,，熒光靈敏度≤0.4fmol熒光素分子/孔，96孔檢測時間≤10秒,；建立單細胞表型組識別算法和表型組數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),，庫容量>100000個；耦合單細胞流式拉曼分選和高通量測序,，細胞分選后存活率>80%,；耦合96孔板與分選系統(tǒng)的自動進樣，細胞損失率<1%,。

5.7水華藍藻合成微生物控制系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

研究內(nèi)容：深入研究噬藻體侵染微囊藻細胞的機制以及噬藻體基因組中各基因功能模塊,，人工組裝合成可侵染藻細胞的噬藻體，研究模塊式改造噬藻體的技術(shù),，并測試工程菌株在水華治理中的應(yīng)用,；改造利用藻毒素多肽合成系統(tǒng)作為合成生物學元件生產(chǎn)平臺。

考核指標：建立高效基因編輯技術(shù),，組裝,、優(yōu)化不同功能模塊，構(gòu)建多個基于藻毒素多肽的合成生物學元件,。構(gòu)建1-3株可生產(chǎn)不同環(huán)肽的合成菌,。構(gòu)建1-2株高效的可侵染藻細胞噬藻體用于定向治理水華藍藻。構(gòu)建可高效定向降解藍藻毒素的功能模塊,。

5.8 重要活性天然產(chǎn)物的合成途徑解析及異源表達

研究內(nèi)容：開發(fā)高通量功能元件挖掘技術(shù)和沉默基因激活技術(shù),，揭示藥用植物和真菌中具有重要活性的新天然產(chǎn)物的生物合成途徑，闡明特殊酶的生物催化機制,，開發(fā)適用于生物合成機器高效重構(gòu)的異源表達體系，實現(xiàn)重要活性天然產(chǎn)物的生物制造,。

考核指標：發(fā)現(xiàn)100種以上具有重要生物活性的新天然產(chǎn)物,、闡明10種以上重要活性天然產(chǎn)物的生物合成途徑,、解析5-10特殊酶的生物催化機制，開發(fā)或改進1-2種高效的異源表達體系,，實現(xiàn)聚酮合酶的定向設(shè)計與改造,，實現(xiàn)1-2種重要活性天然產(chǎn)物的微生物高效制造。