作为一种新兴的交叉学科，合成生物学的起源最早可追溯至上世纪 70 年代，经过数十年的发展，合成生物学经历了从简单基因操作到复杂生物系统构建的跨越，现如今，合成生物学的应用领域已经涵盖生命科学、生物医药、农业、食品、能源、材料、环境等几乎各行各业。
围绕未来合成生物学的发展，全球科技初创公司商业进展的研究机构 StartUs Insights 发布了一份 2024 年合成生物学十大趋势报告。
（来源：StartUs Insights）
此次报告中，StartUs Insights 基于其覆盖全球 379 万多家初创公司和规模化企业大数据 AI 平台（StartUs Insights Discovery）对 718 家合成生物学初创公司进行分析和规模扩大的数据驱动研究，并概述了 2024 年合成生物学领域的 10 大趋势和 20 家有代表性的初创公司。
其中，合成生物学 10 大趋势包括细胞和基因疗法、基因编辑、下一代测序、替代蛋白、合成疫苗、细胞农业、生物计算、微生物工程、表观遗传学和基因文库。同时，报告还通过矩形图谱的形式展示了 10 个趋势的影响力占比，其中细胞和基因疗法、基因编辑、下一代测序、替代蛋白和合成疫苗的影响力位列前五，分别占据 31%、16%、14%、13% 和 12%。
▲图｜合成生物学 10 大趋势影响力（来源：StartUs Insights）
毋庸置疑，细胞和基因疗法是合成生物学领域的前沿，以 CAR-T 为代表的细胞疗法为某些类型癌症的治疗带来了更好的治疗方法，而以 CRISPR-Cas9 为代表的基因编辑工具能够实现精准的基因组修饰，在治疗和治愈某些类型遗传疾病方面展现出较大潜力，与此同时，新兴的测序技术也正在加速新型疗法的发现。
除此之外，替代蛋白和细胞农业通过微生物发酵生产的蛋白质正在成为可持续的未来食品解决方案，基于合成基因组学开发的合成疫苗能够快速应对新出现的传染疾病，而在生物计算中，基于 DNA 的逻辑门使基于 DNA 的存储实现了更高效的计算系统，有望在数据保存方面实现质的飞跃。
▲图｜合成生物学 10 大趋势和不同细分领域的 20 家初创公司（来源：StartUs Insights）
产业层面，全球合成生物学初创公司地域分布，StartUs Insights 分析的这 718 家公司大部分位于美国硅谷，其次是英国以及欧洲地区。基于公司的成立年份、地点、筹集资金等标准，该机构从 718 家初创公司中挑选了有代表性的 20 家公司并介绍了这些公司在相应细分领域所开发的解决方案。围绕该报告，生辉 SynBio 整理如下。
细胞和基因疗法
就现阶段而言，细胞和基因疗法仍然存在脱靶效应，引发严重副作用，为了解决这个挑战，业界也在优化和完善基因编辑工具（比如 CRISPR-Cas 系统）以提高精准性，减少脱靶作用。
围绕细胞和基因治疗领域，瑞士初创公司 New Biologix 开发出工程细胞系技术，使用重组腺相关病毒（rAAVs）向细胞进行递送，通过恢复正常的基因或细胞活性来治疗罕见病和以前难以治愈的疾病；总部位于英国的基因疗法初创公司 Bloomsbury Genetic Therapies 专注于罕见神经和代谢疾病，以神经疾病为例，直接给药到中枢神经系统可确保靶向疗效和提高安全性，该公司基于对靶向疾病生物学的理解和腺相关病毒（AAV）衣壳结构的研究，设计新型病毒载体以提高治疗的有效性、安全性，以及生产的可扩展性。
基因编辑
基因编辑技术面临的挑战包括工程基因回路的不可预测行为和水平基因转移，这会导致不一致的细胞反应和工程基因被转移到生态系统中的非目标生物，业界围绕基因编辑的创新正在解决这些挑战，尤其是使用 CRISPR-Cas9 等工具，例如，提高基因编辑的精准性可以通过微调基因结构从而确保更可预测的细胞行为。
美国初创公司 Graphite Bio 利用基因编辑开发了一个 DNA 精准修复平台，该平台利用细胞的天然 DNA 修复过程来恢复导致疾病的突变基因的功能，其技术路线类似于基因编辑的查找和替换，首先识别出基因突变，然后使用专有的 HiFi Cas9 精确切割不正确的 DNA 序列，并引入正确的 DNA 序列来恢复基因的功能，这种策略提高了合成生物学治疗遗传疾病的潜力；另外一家美国初创公司 SeQure Dx 专注于通过其预测性脱靶评估平台来推进基因编辑技术发展，该公司使用多样化的基因组数据库评估所有可能的脱靶位点以确保全面了解潜在风险，并将数据与致病性、致癌性和生物影响数据相关联。
下一代测序
为了避免复杂合成构建体在宿主生物体内的相互作用导致意想不到的表型结果或代谢失衡，很多初创公司正在推进下一代基因测序技术，以快速测序大量 DNA，从而让研究人员能够以更高分辨率解析合成构建体的行为。由下一代测序支持的宏基因组研究为合成生物如何与天然微生物群落相互作用提供了新见解。
匈牙利初创公司 Deep Biotech Solutions 专注于个性化的下一代测序技术和分子生物学服务，通过其开发的过滤和 AI 技术提供 RNA 测序等，此外该公司还提供量身定制的分析，包括差异基因表达、新型转录本鉴定和剪接变体分析；美国初创公司 Lost Arrow Bio 从事下一代测序样品的制备，其开发的系统几乎可以在不改变协议的情况下自动化任何 NGS 库准备工作流程。
替代蛋白质
目前全球粮食生产正在逐渐转向不依赖于传统蛋白质来源，业界围绕替代蛋白的创新正在通过工程化非传统蛋白来源来加速这一过程，比如植物蛋白、藻类蛋白和细胞培养肉等，精密发酵为蛋白质生产提供了新的途径，为未来更可持续和更广泛的食品铺平了道路。
围绕替代蛋白领域，英国初创公司 Basecamp Research 开发了一个全面了解自然环境中发现的基因数据的知识图谱，并用地质、环境和化学标签标记基因序列，带来了一个独特的、情境化的数据源，基于绘制全球微生物的生物多样性图谱，该公司的研究扩大了已知的蛋白质的数量，并展示了蛋白质之间的关联；MarraBio 也是一家总部位于英国的初创公司，专注于构建对细胞生长、分裂和正常细胞行为所必需的细菌蛋白质聚合物，使工业规模的细胞生长能够用于多种应用，比如实验室研究、农业以及医药领域等。
合成疫苗
众所周知，传统疫苗研发较为费时，难以及时有效地应对突然出现或快速变异的病原体，为了解决这个挑战，业界利用合成 DNA 和 RNA 平台能在短时间内设计开发和生产疫苗，大幅加速了疫苗研发进程，同时也能确保疫苗对不断变异的毒株保持有效。
美国初创公司 Hexamer Therapeutics 专注于下一代合成疫苗技术，其开发的疫苗支架由天然肽组成，可针对特定的病毒区域或突变进行调节，此外该技术还能够实现化学计量控制的反应以确保与多种抗原的兼容性；总部位于爱尔兰的 AiBIOLOGICS 是一家专注于抗体发现、诊断开发和疫苗设计方面的 AI 公司，其开发的深度学习算法完善并加快了改进抗体发现、免疫原性映射等疫苗开发过程，该公司还在实验室中验证了其 AI 模型并改进优化了诊断、疫苗设计和治疗评估。
细胞农业
与替代蛋白类似，细胞农业也是旨在不加剧环境恶化或损害营养价值的前提下，解决可持续粮食来源日益增长需求方面的挑战，比如开发更高产量、更高抗性的农作物以对抗害虫和恶劣土壤条件，或是定制营养成分为消费者创造更健康、更有针对性的食品选择。
以色列初创公司 Optium 利用 AI 优化生物反应器的性能，提高效率，助力从实验室生产过渡到工业生产，其开发的工具还可在过程中预测批次结果，从而减少浪费和运营成本；西班牙初创公司 Real Deal Milk 专注于通过精密发酵生产“无动物”牛奶，包括酪蛋白和乳清等牛奶蛋白，提供了一种人性化、成本效益高、更健康的乳制品替代品，发酵生产所需能源和资源消耗更少，并且还大幅减少了二氧化碳的排放。
生物计算
修改生物系统的过程需要高度复杂的设计和优化，而手动试错方法是低效且缺乏准确性的，对此，很多初创公司正在开发生物计算技术，通过先进的算法、机器学习模型和模拟平台来解决这个挑战，这能够实现生物电路和通路的计算机设计和测试，基于 DNA 的计算和存储解决方案的出现进一步缩小了生物系统和数字系统之间的差距。
美国初创 Iridia 专注于生产基于 DNA 的存储芯片，其利用专有的 DNA 合成化学、硬件架构和半导体制造技术构建了 DNA 数据存储解决方案，这实现了高密度数据存储，通过去中心化、价格合理的 DNA 数据存储确保了长期耐用性和可持续性，为企业、数据中心等日益增长的数据存储需求提供了新的解决方案；澳大利亚初创公司 Cortical Labs 在营养液中通过硅片培养神经元，通过将活脑细胞与计算设备融合开发出一种独特设备，这种融合让机器拥有生物智能，能够利用大脑细胞的力量来增强计算能力。
微生物工程
传统的生物工程方法难以在不破坏复杂微生物群落的情况下选择性地靶向或增强微生物功能，而微生物工程通过使用基因工具等提供了有针对性的解决方案，研究人员能够在微生物中引入或修饰特定的基因，从而有针对性地增强或抑制微生物组中所需的功能，有助于开发具有增强治疗潜力的益生菌、促进植物健康的农业解决方案以及修复污染物或恢复生态平衡的环境干预措施。
加拿大初创公司 Ceragen 专注于开发微生物菌剂来促进植物生长，帮助植物吸收营养并抵御高温等恶劣环境压力，为作物增产提供了可持续有效的解决方案并避免了有害的化学品的使用；Endure Biotherapeutics 是一家总部位于美国的初创公司，旨在设计在体内持续存在的天然细菌的治疗菌株，其平台专注于发现、开发和商业化工程菌药物治疗人类遗传和慢性疾病，早期试验表明，这些工程天然细菌可以定植于胃肠道并有可能治愈各种代谢和炎症疾病。
表观遗传学
工程基因的表达受 DNA 序列以及动态和复杂的表观遗传学控制，会在无意中沉默或过度激活合成结构，导致不一致的结果，对此，不少创业公司正在开发创新的表观遗传学工具进行引导和调控以解决这些复杂问题，例如，通过控制表观遗传标志物和修饰物，研究人员可以确保基因表达的一致性，微调合成结构并设计表观遗传开关。
美国初创公司 Tune Therapeutics 开发了一个控制基因行为的基因调控平台，由两个可切换的元件组成（DNA 结合域和效应器），可以精确控制基因表达，为各种治疗环境提供解决方案；美国初创公司 Chroma Medicine 通过利用表观遗传学进行精确和可预测的治疗，开发单剂量基因组药物，其可编程的表观遗传编辑器将 DNA 结合域与表观遗传效应域相结合，从而实现靶向基因沉默或激活。
基因文库
基因设计具有巨大的组合空间，需要进行探索以获得最佳功能，这导致“设计-构建-测试”周期是一个费时费力的过程，对此，一些初创公司专注于创建基因文库，用包含大量基因数据的数据库来解决这一瓶颈，此外，DNA 合成平台和高通量筛选方法使研究人员能够快速评估变体以进行筛选和设计。
德国初创公司 Serengen 创建了一个 DNA 编码库用于高效、高质量的筛选和识别，克服了传统无偏见筛选方法的局限性，减少了冗余，降低了成本，有望加快早期药物的发现进程；丹麦初创公司 Dianox 开发了一个适配子库，其中包含体外验证的适配子，可与蛋白质或小分子进行特异结合，并且这些适配子的用途多种多样，涵盖从研究酶的作用机制到治疗癌症等疾病的潜在应用。
