中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 2000?年，以撥動開關(guān)（toggle switch）與合成振蕩器（synthetic oscillator）為標(biāo)志的基因設(shè)計研究使合成生物學(xué)走進了人們視野。近年來，隨著合成生物學(xué)的蓬勃發(fā)展，人們很快認識到，生物系統(tǒng)可以在定量模型指導(dǎo)下，用“模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化”的組成單元來設(shè)計構(gòu)建人工復(fù)雜系統(tǒng)。其中，生物元件作為合成生物學(xué)三大基本要素之一，對其進行深入挖掘和改造已成為合成生物學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。為了方便利用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的“部件”拼裝“機器”，2003?年，美國麻省理工學(xué)院相關(guān)合成生物學(xué)實驗室成立了標(biāo)準(zhǔn)生物元件登記庫（Registry of Standard Biological Parts），收集滿足標(biāo)準(zhǔn)化條件的生物元件。截至?2018?年已有超過?20?000?個生物元件被登記，其中包括啟動子、轉(zhuǎn)錄單元、質(zhì)粒骨架、蛋白質(zhì)編碼區(qū)等?DNA?序列，以及核糖體綁定位點、終止子等?RNA?序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。

天然生物元件來源于自然進化，在模塊化、組裝、集成等方面，難以符合特定工程需求。如果將細胞看成合成工廠，由?DNA?編碼的蛋白質(zhì)和?RNA?等轉(zhuǎn)運、調(diào)控、催化基本元件在生命體系中體現(xiàn)出一定的交互性和模塊性。如何讓不同單元之間、單元與途徑和網(wǎng)絡(luò)之間可控、可組裝，是工程化設(shè)計創(chuàng)建生物系統(tǒng)首要面臨的問題。目前，大量已知功能的生物元件并未被標(biāo)準(zhǔn)化，許多元件體現(xiàn)出不兼容性，加之整合過程中的復(fù)雜性和整合后的可變性等因素，導(dǎo)致元件之間不能協(xié)調(diào)一致地工作，效率大幅降低，或無法實現(xiàn)設(shè)計功能。因此，設(shè)計具有良好協(xié)調(diào)行為、協(xié)同執(zhí)行功能的生物系統(tǒng)是合成生物學(xué)的一項重大挑戰(zhàn)，也是解決“人造生命”的重要突破口。本文簡要介紹了近年來非催化元件的研究現(xiàn)狀，重點介紹催化元件設(shè)計領(lǐng)域從頭預(yù)測新酶結(jié)構(gòu)的分子優(yōu)化設(shè)計、人工金屬催化酶設(shè)計、底物選擇性重設(shè)計以及酶分子熱穩(wěn)定性設(shè)計?4?個方面的前沿研究進展，并綜述了酶分子設(shè)計與工業(yè)生產(chǎn)的跨層次結(jié)合與技術(shù)互融，以期為合成可控、功能特定的人工生物體系提供重要線索，同時有助于推動合成生物學(xué)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)體系與工業(yè)生物過程的互作發(fā)展。