基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关。合成生物学作为21世纪生命科学领域最具变革性的前沿方向，正从“能构建”向“能设计”的范式深水区演进，其核心使命是在深刻认知生命系统运行规律的基础上，推动从“格物致知”到“造物致用”的跨越，进而为生物制造这一战略性新兴产业提供科学原动力。当前，我国已将生物制造列为战略性新兴产业。但是，在规模高速扩张的同时，一个深层瓶颈正日益凸显：我们虽能“造出”大量生物系统，却难以“设计出”真正符合预期的生物系统。目前，绝大多数菌株与工艺开发仍依赖“设计—构建—测试—学习”的反复试错循环，从实验室发现到产业化落地平均耗时5至10年，成本高企且成功率有限。这一困境的根源，在于合成生物学自身尚未攻克的核心科学难题——对生命功能“涌现”所遵循的定量规律认知严重不足。正是这一挑战，催生了定量合成生物学这一前沿研究方向。唯有从基础层面突破认知瓶颈，方能为生物制造的高质量发展注入持久的源头动力。

合成生物学的概念内涵与战略意义

合成生物学是生命科学与信息科学、材料科学、数理科学和工程学等深度交叉融合的新兴领域，其核心思路是以工程化理念设计和构建新的生物系统，使之拥有预期的功能——例如高效合成特定化合物、精准响应环境信号、靶向治疗疾病等。如果说传统生物学是在“解析”生命，那么合成生物学则是在尝试“重写”乃至“创造”生命，它使得对生物系统的操作不再局限于对自然存在的修修补补，而是迈向基于定量设计原则的“从0到1”构建。当前，通过基因测序、编辑与合成等技术，已经能够快速“写出”海量的基因序列，构建出具备基础功能的菌株，这体现了合成生物学在“构建”层面的强大能力。但是，合成生物学的更高目标在于“设计”——即根据预定功能需求，从原理出发预测并构建出性能可预期的生物系统，而这恰恰是当前面临的最大挑战。

理解合成生物学与生物制造的内在关系，是把握战略布局的前提。合成生物学是生物制造的底层科学基础与技术源头，生物制造则是合成生物学的产业应用出口。没有合成生物学对生命系统“设计原理”的持续攻关，生物制造就难以摆脱经验试错的路径依赖，无法真正成为驱动新质生产力的核心引擎。合成生物学的核心使命，是以工程化理念探索生命系统的设计构建，为生物制造提供可依赖的“设计工具”。然而，当前合成生物学自身尚未完成从“能够构建”向“能够设计”的范式跃迁——当生命系统的复杂性远超人类直觉和经验所能把握时，传统的定性描述与试错积累便难以支撑精密设计的需求。这种“设计赤字”，正是生物制造产业陷入低水平循环的根源。从全球竞争格局来看，世界主要经济体已将合成生物学上升为国家战略，据经济合作与发展组织预测，到2030年全球生物制造市场规模将超过万亿美元。在这场关乎未来产业主导权的竞争中，谁率先掌握生命系统的定量设计法则，谁就将在生物经济时代的国际竞争中占据制高点。

为何要发展合成生物学

当前，我国生物制造产业在政策与资本的双重驱动下呈现持续高速扩张态势。“十四五”期间，全国生物制造产业总规模已达到1.1万亿元，生物发酵产品产量占全球70%以上，食品及添加剂、生物制药等细分领域年产值超4000亿元。但从产业质量视角审视，繁荣表象之下结构性矛盾不可忽视，集中体现为三大瓶颈。这些瓶颈的深层症结，反映了合成生物学基础研究与生物制造工程应用之间尚未弥合的断层。

一是缺乏预测性设计理论，导致高质量科技供给“数量多、质量低”。当前，借助基因测序、编辑与合成等高通量技术，我们可以快速“写出”海量基因序列，构建出大量具备基础功能的菌株。但是，对于基因线路、代谢网络与宿主细胞之间复杂的非线性相互作用，始终缺乏可预测的定量模型。这导致生物系统的整体功能无法从元件特性科学外推，所谓的“设计”多依赖于研究者的个人经验和直觉判断。正因缺少理论指引，科技供给虽在数量上快速增长，但质量提升受限——我国已积累大量新颖的基因编辑工具和合成路径专利，而真正能跨越产业化门槛、实现工业级稳定高效生产的“底盘细胞”“工业酶”等关键核心技术产品却依然稀缺。究其根本，正是对生命系统“运行逻辑”的底层认知不足，造成了高质量科技供给的结构性缺口。

二是缺失工程化定量原则，致使实验室成果难以跨越产业化门槛。实验室受控环境下表现优异的合成系统，一旦置于大规模发酵罐的复杂工业场景中，常出现稳定性差、适应性弱、效率骤降等现实问题。由于缺乏对规模化发酵过程中细胞生理状态变化的定量认知，当前的菌株优化多为针对特定故障的碎片化修补，难以基于全局视角进行系统性重设计。这种“实验室成功”与“工厂失效”之间的转化断层，本质上是科学原理向工程化可预测设计原则的转化机制缺失所导致的必然结果。没有一套涵盖工业环境变量（如传质、剪切力、渗透压）的定量准则，实验室成果便只能停留在论文中，无法转化为真正可靠的工业生产力。

三是缺乏差异化设计能力，导致产业集中于低门槛同质化赛道。当前多数企业不具备从性能需求逆向推导生物系统设计的系统性能力，难以围绕特定性能指标或应用场景开发具有差异化优势的核心产品。于是，企业普遍选择技术路径成熟、专利壁垒较低、市场预期明确的领域进行布局，依靠规模扩张、能源消耗和人力成本展开同质化价格竞争。这种模式不仅导致利润微薄、创新动力不足，也使得企业无力反哺需要长期投入的基础研究。产业缺乏高端增值产品，发展陷入低效循环，根源正在于企业层面缺少真正的“设计”能力——无法将科学发现转化为有竞争力的技术方案，只能被动追随成熟路径，从而加剧了整个行业的同质化困境。

上述困境虽表现于产业端的不同层面，但追本溯源，共同指向一个根本问题：生命功能究竟如何从基因线路的组合中“涌现”出来？能否用定量理论来描述、预测乃至指导合成系统的设计？这便是定量合成生物学所要攻克的核心瓶颈。从学科发展逻辑来看，生物制造产业发展的困境无法仅通过生产工艺优化得到根本解决，必须回溯至合成生物学基础研究层面寻找破局路径。当前生物制造面临的理性设计瓶颈，本质上是合成生物学自身发展亟待攻克的核心科学挑战，也直接推动了定量合成生物学这一前沿研究范式的兴起。

合成生物学的发展前沿是定量合成生物学

在产业需求与科学逻辑的双重驱动下，定量合成生物学作为一种新的研究路径应运而生。它基于定量生物学与系统生物学的思维方法，致力于建立可定量预测生物系统行为的数理或人工智能模型，为理性设计提供科学基础。其核心命题可以凝练为：生命功能如何跨层次涌现，以及能否用定量理论来描述、预测乃至指导合成系统的设计。这一方向的提出，标志着合成生物学正从“工程化构建”向“科学化设计”的范式转型。历史上，当一门学科从描述现象走向探索原理、从积累经验走向工程构建时，定量化与理论化往往是必经之路。化学从炼金术走向现代化学，离不开定量测量和原子理论的建立；气候科学从天气记录走向气候预测，离不开大气动力学方程的构建；电子工程从分立元件搭建走向超大规模集成电路设计，离不开半导体器件物理和设计自动化工具的发展。同样，合成生物学要从经验试错走向理性设计，必须建立自身的定量理论体系。

我国科学家较早认识到这一方向的重要性，并在关键科学问题上展开了系统性探索，形成了相对先发的布局。这些探索的核心特征，是在复杂生命现象中寻找简洁的定量规律，将生物学从“发现新现象”推向“发现新原理”。近年来，在单细胞、多细胞体系以及应用导向的研究中，我国科学家已取得一系列重要进展，在多个层面验证了生物过程存在可被定量描述的深层逻辑。这些成果的共性在于，它们不满足于发现“某个基因有什么功能”，而是追问“功能如何从系统的相互作用中涌现，并能否被定量描述”。这种从经验描述到规律提炼的范式转变，正是定量合成生物学区别于传统合成生物学的根本所在。

展望未来，定量合成生物学的发展亟须在若干前沿方向上取得突破。其一，是建立跨层次的定量模型，将分子水平的反应动力学、基因线路水平的网络逻辑、细胞水平的生理状态乃至多细胞体系的空间组织结构，统一纳入一个可计算的理论框架。其二，是将人工智能与机理模型深度融合，利用高质量、标准化的定量数据训练可解释、可泛化的预测模型，逐步提升对复杂合成系统的理性设计能力。其三，是以“从头构建合成细胞”为终极目标，在利用无生命大分子自下而上构建具有生命基本属性的系统的过程中，验证并深化对生命涌现原理的理解，这一方向既有望解答“生命是什么”的科学之问，也将为生物制造提供最可塑的“细胞工厂”平台。

建制化转化衔接基础研究与生物制造

定量合成生物学的兴起，不仅是研究内容的扩展，更是研究范式的转型，对科研组织方式提出了新的更高要求。首先，核心科学问题具有高度系统性。“生命功能如何涌现”这一命题横跨分子、回路、细胞、群落等多个层次，涉及能量代谢、信息处理、物质组装等不同物理化学过程的协同运作，没有任何单一学科或课题组能够覆盖全部研究手段，必须在数学、物理、化学、信息科学和生命科学的深度交叉融合中寻找答案。其次，定量规律的发现高度依赖标准化、大规模、可比较的数据，在传统分散化单课题组研究模式下，不同实验室的实验条件、菌株背景、测量方法存在显著差异，数据难以整合复用，研究结论难以重复验证。最后，这一领域的关键里程碑——实现利用无生命大分子构建具有生命基本属性的人工合成细胞——是需要数十年乃至更长周期持续投入的宏大科学工程，完全超越了个人学术生涯周期，要求国家层面的战略定力和组织化支持。

正因为如此，定量合成生物学的发展必须走使命驱动的建制化基础研究之路。所谓“建制化”，不是以行政命令取代科学家的自主探索，而是需要在清晰的战略目标框架下有机整合多学科科研力量，形成“分可独立开展研究、聚可协同开展攻关”的新型科研组织形态。围绕这一需求，我国已经迈出了实质性步伐。依托定量合成生物学全国重点实验室等平台，以“生命功能涌现定量原理”等核心命题为牵引，组织多学科团队开展协同攻关，同时通过设立“原创项目”支持青年科学家自由探索“无人区”。在基础设施层面，建成全球首个面向合成生物学的全自动大科学平台——深圳合成生物研究重大科技基础设施，为实现高质量定量数据的标准化获取提供了条件。在人才培养方面，依托重大任务和大设施，在实践中锻炼兼具数理建模与实验素养的复合型科研骨干，逐步形成结构合理、梯次衔接的人才矩阵。在国际合作中，牵头发起“亚洲合成细胞联盟”和“亚洲合成细胞技术路线图”，主办首届“合成细胞国际会议”，推动了全球学术共同体的协同发展。面向未来，亟须加快建设国家级人工合成细胞基础设施，构建标准化的生物元件库、标准品库和数据共享平台，逐步弥合不同实验室、不同平台之间的“精度鸿沟”与“数据孤岛”。

基础研究的突破，终须转化为现实生产力。定量合成生物学追求的理性设计能力，若能逐步兑现，将在根源上改变生物制造的研发范式：从试错筛选走向理性设计，大幅缩短研发周期，提高构建成功率，降低产业化门槛。但是，科学原理的突破不会自动转化为产业竞争力，必须在范式探索的早期就将转化机制纳入系统工程。传统成果转化多为点对点的线性模式，在合成生物制造领域面临特殊困难——生物制造产品往往是底盘细胞、代谢途径、发酵工艺、分离纯化等环节的系统集成，零散的单项技术转让难以形成整体竞争力。因此，需要探索建制化转化模式，推动科研机构与企业开展整建制合作，围绕产业需求系统性输出技术群、人才群和解决方案。另一种值得重视的趋势是构建“需求牵引研发、资本催化转化、产业反哺创新”的闭环生态，依托大科学设施、全国重点实验室和新型研发机构，推动科研人员在前沿问题攻关过程中同步开展阶段性成果转化，实现快速工程化验证。

抢占定量合成生物学范式国际制高点

面向2035年建成科技强国的战略目标，定量合成生物学承载着双重使命，既要攀登“理解生命”的科学高峰，又要打通“设计生命”的工程之路，为生物制造提供原理支撑。当前我国生物制造产业面临的理性设计能力的不足，既是制约产业高质量发展的核心瓶颈，也是我国在前沿领域实现跨越式发展的战略切入点。抢占定量合成生物学研究范式的国际制高点，亟须国家层面的系统谋划与体系化部署。

在强化建制化基础研究布局方面，进一步完善使命驱动与自由探索相融合的协同攻关模式，围绕“生命功能涌现定量原理”等核心命题凝聚多学科力量，同时为原创性自由探索留出沃土，让不同学科背景的研究者在共同目标下深度融合，形成协同创新效应，从根本上破解高质量科技供给不足的难题。

在完善体系化成果转化机制方面，推广建制化转化模式，构建从基础发现到技术开发再到产业应用的完整价值循环，让定量设计能力从实验室走向工厂，使生物制造真正进入“理性设计”驱动的新阶段，从根本上破解同质化低效竞争的低端发展锁定，为培育新质生产力贡献核心动力。

在夯实平台化基础设施支撑方面，以国家战略需求为导向，加快布局人工合成细胞等前沿设施，建设标准化的生物元件库与数据平台，弥合“精度鸿沟”与“数据孤岛”，使高质量的定量数据真正成为驱动发现、服务设计的基础资源，为跨越成果转化鸿沟提供工程化支撑。

在构建梯队化复合型人才体系方面，在现有学科培养体系中创新机制，将数理建模能力与生物学实验素养有机融入人才培养全过程，依托重大任务和大设施在实践中锻造兼具战略视野和一线攻坚能力的科研骨干，同时面向全球开放引才，形成跨学科、跨代际的协同矩阵。

在深化高水平国际开放合作方面，持续推动“合成细胞国际联盟”“亚洲合成生物学协会”等国际合作平台建设，积极参与和设置国际学术议程，在开放交流中不断贡献中国方案，提升我国在定量合成生物学领域的学术影响力和话语权。

定量合成生物学是破解我国生物制造理性设计瓶颈、推动合成生物学实现范式跃迁的核心路径。它既回应了“生命功能如何涌现”这一基础科学根本之问，又直面了生物制造产业“有规模无设计”的现实困境。面向科技强国建设战略目标，持续夯实定量基础研究、完善建制化创新体系、打通产学研价值闭环，不仅将推动生命科学实现从定性描述到定量预测的认知跃升，更将为生物经济高质量发展注入持久源头动力，助力我国在全球生物技术变革中抢占战略制高点，为实现科技自立自强奠定坚实的科学基础。

（作者系中国科学院深圳先进技术研究院院长、定量合成生物学全国重点实验室主任）