国家重大出版工程 | 中国合成科学2035发展战略

2023年5月26日，由中国科学院和国家自然科学基金委员会联合部署、学科领域知名院士专家共同研究编撰的《中国合成科学2035发展战略》正式发布，该报告是“十四五”国家重大出版工程“中国学科及前沿领域2035发展战略丛书”的分册之一。合成科学是目标导向的创造物质的科学，在当前形势下呈现出许多新的特点，也面临许多新的挑战。

书中主要从生物学促进的化学合成和化学促进的生物合成两个方面入手，研究和分析合成科学的历史、现状、挑战、机遇与趋势，指出需要通过化学与生物学的深度交叉与融合，开拓跨学科前沿交叉的新空间以构建合成科学的新方向，为我国合成科学的持续、协调、跨越发展提出了有针对性的政策建议，值得我们特别关注。

合成科学是分子创制的核心和基础，包含化学合成和生物合成两种重要方式。合成科学与生命、健康、农业、材料和能源等领域密切关联。在当前形势下，合成科学的发展呈现出新的特点，也面临新的挑战。随着化学和生物学领域的发展与技术进步，化学合成和生物合成之间出现由点到面的快速融合与相互促进的趋势，为合成科学带来了前所未有的创新机遇。本书拟从合成化学促进的合成生物学和合成生物学促进的合成化学两个方面入手，总结合成科学的研究特点、发展规律和趋势，凝练关键科学问题、发展思路、发展目标和重要研究方向，为合成科学未来发展的有效资助机制及政策提供建议。本书旨在通过战略研究，在化学合成与生物合成之间建立深度的科学链接，融合两者各自的独特优势，突破传统的学科研究范式，构建跨越化学合成与生物合成的合成科学新方向。

化学合成的发展史是一部与生物科学和技术相伴相随的发展史。生物学促进的化学合成主要是指模拟生物催化（如酶催化的方式）进行化学合成的过程。生物体系的创制能力在催化机制、反应原理、合成策略、分子功能等多个方面都对化学合成的发展有重要的启发、促进和借鉴作用。因此，生物学促进的化学合成除了具备传统化学合成条件耐受性好、规模化容易、底物适用范围广等优点，还具有生物合成高效、精准、绿色的优势，有望实现环境友好、安全经济的合成化学。生物学促进的化学合成主要包括催化剂、反应和复杂分子的合成策略三个层次，在本书中将围绕如下内容展开。

反应是合成化学的工具和基石，生物转化过程的理解能促进仿生反应的发展和应用。仿生反应是通过化学手段模拟生物体中酶催化反应的成/ 断键方式而进行的化学转化。本书第二章总结了有代表性的五类仿生反应：仿生离子型反应、仿生自由基反应、仿生协同反应、仿生杂原子转移反应和仿生光化学反应。发展新型仿生反应对于丰富化学反应类型和扩展合成化学边界具有重要意义。

催化是合成化学的关键，它决定了合成的效率、选择性和可行性。生物合成促进的化学催化包括对生物酶进行化学模拟的仿生催化（本书第三章）和对酶进行人工改造的定向进化（本书第五章）。本书第三章阐述的仿生催化，是用化学方法在分子水平上模拟生物酶的化学催化技术，主要是基于酶的结构和催化机制，设计并合成人工酶，以模拟和实现酶的催化功能。该章总结了已有的对催化中心的模拟和蛋白质骨架模拟的仿生催化。发展仿生催化，可以综合酶催化和化学催化的优点，使催化剂的活性更高、选择性更好，使合成更加精准、高效、温和、经济与绿色，有利于创造更多的新功能分子，满足医药、农药、材料、能源等多领域发展的需要。本书第五章讲述的是人工酶的新型合成转化。天然酶存在催化类型有限、底物范围狭窄及稳定性较差等问题，大大限制了其应用。通过对酶的工程性改造，设计创造新型的人工酶，从而实现非天然的化学转化，可以扩展酶催化的反应类型，使其在食品加工、饲料、洗涤、材料等领域具有广阔的应用前景。

合成策略是高效构建复杂分子的前提和保障，对复杂分子生物合成过程的理解有助于提炼出高效的合成策略（本书第四章和第六章）。本书第四章讲述的仿生天然产物合成，是以相关生物合成机制或生源假说为启发和指导，模仿生物体内导向天然产物的反应和转化途径，实现天然产物分子及其类似物的高效、快速构建。仿生合成发轫于对天然产物结构和官能团反应性的深刻理解，是推动新合成策略和合成方法研究的灵感源泉，对生物合成机制研究也具有重要的指导意义。本书第六章阐述的酶催化反应驱动的活性分子合成，从策略角度可以分为化学— 酶法合成、异源— 化学合成和体外酶催化合成三种类型。酶催化反应与传统有机合成的良好结合，为有机合成路线的设计提供了新的思路。

生物合成本质上是一个发生在生物体系中的合成化学过程，即利用生物体内的各种酶促反应，完成化学结构的逐步构筑的过程。生物合成通常以天然存在的功能分子为研究对象，研究范式和发展方式与物理学、化学和生物学及相关技术的进步息息相关，属于典型的交叉学科范畴。随着天然功能分子进化与演变规律认知的不断深入，生物合成研究也从单纯的“学习自然”过程迈向“超越自然”的目标，有力地促进了传统的天然产物化学、药物化学及合成化学等在研究方法和思路方面的变化，同时也为21 世纪初兴起的合成生物学在功能分子的创制研究方面提供了理论基础。化学促进的生物合成体现在基因、蛋白质（酶）、细胞，以及反应、途径等不同层次，在本书中将围绕如下内容展开。

解析生物体系中功能分子形成的化学过程，是生物合成研究的主要内容（第七章）。第七章依据天然产物化学结构或生物合成的典型特征，对不同类型的分子骨架组装和组装后修饰相关的酶学机制与规律进行了总结。深入解析天然产物的生物合成途径并阐明相关酶的催化机理，有利于理解生物合成过程中遵循的基本反应规律，有助于利用组合生物合成或合成生物学技术来设计、改造和开发新型的活性天然产物分子，进而探索其发挥的重要生物学功能，最终服务于人类生活和健康。

以创造化合物结构多样性为目标，将不同的生物催化元件或化合物前体作为模块，根据不同的组合方式，在体内或体外经过人为巧妙构思和编辑，从而产生预期的分子多样性群体，是生物合成研究成果应用的重要体现（第八章）。第八章根据组合生物合成的研究理论及研究深度和广度，将其分为四个阶段（即探索期、起步期、拓展期、快速发展期）介绍了组合生物合成的研究进展、现状和存在的问题。

生物合成研究成果应用的另一个重要体现，在于采用基因组挖掘技术发现新产物和新机制（第九章）。通过建立结构特征和基因序列信息之间的逻辑关联，以基因组大数据的生物信息学分析为基础，挖掘和寻找潜在的编码生物合成基因簇并最终获得相应天然产物，是天然产物化学领域研究策略的重大突破。从科学逻辑上看，基因组挖掘策略将天然产物研究的起始对象，从复杂的、具有三维结构的化合物简化至一维的、易于读取和分析的DNA 序列信息，可显著提高天然产物发现过程的可预测性和成功率，有望从天然资源中深度挖掘出更多有用的药物分子。

作为一种重要的生物学技术，异源生物合成可以有效弥补合成化学在复杂天然产物药物生产方面的不足，降低大宗及精细化学品、能源产品等的成本，解决环境和资源的协调发展问题（第十章）。第十章将对微生物源、植物源天然产物及工业化学品异源生物合成研究的溯源、发展、现状和发展趋势进行归纳总结，并对影响高效异源生物合成的关键要素—基因编辑技术和底盘细胞进行详细讨论。

生物合成研究属于典型的交叉学科范畴，其研究范式和发展方式与物理学、化学和生物学及相关技术的进步密切相关。第十一章总结了生物合成研究所采用的技术方法，包括化学、物理学、生物学、计算机信息学和其他相关学科等技术方法。根据不同历史阶段生物合成研究所采用技术、策略的不同，该章还对生物合成研究历史的发展脉络进行了梳理。特别是以吗啡、红霉素等为例，对天然产物生物合成研究的经典案例进行了分析，体现了技术发展对领域发展的推动作用。

作为不破不立、对立统一的矛盾体的另一面，生物降解与转化和生物合成不同，主要研究如何利用微生物的代谢能力，将污染物降解成无毒终产物或转化为经济产品，从而安全地处理合成科学产生的海量新型人工化合物，实现变危为安、变无为有、变废为宝、变弱为强。第十二章就生物降解与转化对于合成科学的绿色发展的重要意义进行了阐述。

DNA 信息存储与计算是一个新兴的、多学科深度交叉融合的研究方向，对国家开发替代性的数据存储介质、维护生态环境安全和能源安全等具有重要的战略意义（第十三章）。目前该领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段。国内DNA 信息存储与计算领域刚起步不久，提前做好对DNA 信息存储与计算技术的战略布局，有利于在新兴产业中提前立足、在国防安全中提前防御，并推动一批基础与前沿交叉学科的发展。

对生物分子结构和功能关系的理解有助于各种生物功能大分子（如糖、蛋白质和核酸）的设计和发展，在本书中将围绕如下三章展开。①第十四章讲述糖的合成。应用合成化学的新趋势、新进展和新手段，发展糖苷键的高效构建方法、开发糖链的有效组装策略，高效获取复杂糖链和糖类药物是糖合成研究的首要目标与发展方向。②第十五章阐述蛋白质的合成。利用高化学选择性的连接反应将多肽片段组装成完整的、具有生物活性的蛋白质，适用于精准制备生物方法难以获取的均一、选择性修饰的蛋白质样品，有助于生化功能机制研究、蛋白质药物与功能材料研发，为靶向化学干预、疾病的诊疗和病理解析提供新思路。③第十六章描述核酸的合成。主要研究方向包括基因组合成、核酸的化学法和酶法合成、核酸高通量合成、功能核酸的开发等。

本文摘编自《中国合成科学2035发展战略》，编委会主任为中国科学院院士丁奎岭，标题和内容有调整。

内容简介

合成科学是目标导向的创造物质的科学，在当前形势下呈现出许多新的特点，也面临许多新的挑战。《中国合成科学2035发展战略》主要从生物学促进的化学合成和化学促进的生物合成两个方面入手，研究和分析合成科学的历史、现状、挑战、机遇与趋势；指出需要通过化学与生物学的深度交叉与融合，开拓跨学科前沿交叉的新空间以构建合成科学的新方向。本书为我国合成科学的持续、协调、跨越发展提出了有针对性的政策建议。

本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引，为科研管理部门提供了决策参考，也是社会公众了解合成科学发展现状及趋势的重要读本。

编委会主任简介

丁奎岭，有机化学家，中国科学院院士，主要从事手性催化合成领域的研究。现任上海交通大学校长、党委副书记，第十四届全国人大代表，第十三届全国政协委员，兼任中国化学会常务理事、中国产学研合作促进会副会长、上海市科学技术协会常务委员会副主席、上海市徐汇区科学技术协会主席等。