合成生物学快讯2021年9月：工程生物学赋能国防应用的技术路线图

为了满足空军需求，工程生物学材料需要具有一系列的应用特性，例如，敏捷基地、持续性保障、高能化合物、粘接材料、人体性能和航空医学。具体案例包括：用于高超音速飞行的先进燃料、用于对抗定向能量系统的光学材料、用于空气和空间应用的涂料与材料、高温材料的单体和前体、抗菌剂、哨兵材料、冷链稳定材料、生物混凝土、复合材料、生物降解材料和其他生物相容材料。空军对飞行员、基础设施和系统的感知和监控主要集中在识别和利用新型分子生物信号，包括识别生物标志物，监测飞行员的身体和认知能力，例如对人体状态的持续评估，并采取动态、响应性的干预措施，从而提高作战能力并减轻风险。除了人体之外，空军在工程生物传感器方面需要开发新型分子工具，用于环境监测中生物信号检测以及有毒工业化学物质（TICS）/有毒工业材料（TIMS）识别。

蛋白质和代谢工程的研究与开发将实现化学物质、聚合物和生物分子的合成和生产，并在相关环境中得到广泛应用。通过非天然成分和特性的工程化，实现生物分子的多样化，并产生目前天然系统所不具备的新功能。同样，工程生物学可以提高生物制剂的稳定性；减少生产的时间和成本；减少或防止产生有毒中间体、产品和副产品；帮助在不同环境中维持功能。工程生物学技术可以使复杂材料具有层次结构、动态特性和编程功能，而复合材料可用于保护、模糊和过滤，同时在相对简单或偏远环境中提高性能并扩大制造规模。

上述能力的基础是核酸、生物分子和细胞工程学领域的成果。工程生物学可实现基因组的适应、新蛋白质的设计、基因代谢途径和细胞信号通路的调节，生物分子和细胞的二维和三维组装，以及新产品、新材料和新化学物质的生产。DNA的快速合成、基因编辑工具的利用以及高通量测序使科学家和工程师能够发现并指导细胞和生物体的基本活动。同样，线路和途径工程可以重新配置单个细胞产物，无论是直接使用生物分子或化学物质，还是靶向细胞行为。数据科学、机器学习、人工智能和自动化使生物数据的设计、建模和集成能够实现高效和创新。

工程化生物系统，例如人类、土壤或海洋微生物群，具有巨大潜力，可以为人体性能提供直接的好处，有助于确保任务空间（mission space）的安全，并加速对不利环境的适应。以核酸、蛋白质和其他生物分子的工程学为基础，工程生物学有助于实现用于（生物）化学品、材料和其他产品生产或降解的细胞、生物体和联合体（consortia），并且它们本身可以充当材料、传感器或系统。利用工程生物学技术可以调控多细胞生物、生物群落和联合体，以提供复杂的信号和对环境线索的反应。人类微生物群的工程化可以显著影响士兵的作战性能和起到保护作用，使其能够更快或更稳健地适应相关环境并实现体能维持和物理支持。工程化联合体（engineered consortia）可以帮助改变或适应环境，并保持适应性或持久性。采用工程生物学进行环境部署需要安全、可靠和包容的生物系统，从DNA序列到数据利用都要考虑到这一方面。

工程生物学在相关环境中的关键使能作用之一是利用生物体提供其相关状态和周围环境的信息，从而进行相应调整。工程生物学工具和技术可以帮助保持持续的感知、维持环境情报，还能识别和调节分子特征和生物标志物。生物学可用于检测和确定物理与化学威胁，例如辐射或爆炸物，报告时间、位置和移动，并整合生理信号来感知、评估和应对植物、动物和人类的压力。生物分子、细胞、多细胞有机体和联合体都可以作为传感器，从而在远近距离提供离散的、可读的响应。基于生物的传感器可以作为的独立设备，或者耦合到材料、电子设备或基础设施上，从而提供附加能力和功能。

细胞和生物体能不断处理外界信息，并调整自己的行为。此外，生物通过工程改造，可以选择性地感知、处理和响应来自环境的化学、物理和机械信号。通过修饰基因、线路、途径、细胞内部和外部成分，改造过的生物系统可以接收无数信号、集成和转换这些信号，并产生、传达及执行响应。通过这些过程，工程生物学可以报告信息，在相关环境中实现更快、更智能的决策。

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启用复杂平台：生物学与“其他”相结合，改善和增强人体和系统的性能

工程生物学可以构建无数复杂的平台。以工程生物学的重大突破为基础，利用工程化的生物系统可以极大提高改善系统和人体性能的能力。与生物相关的材料和机器可以对活动和环境进行快速、动态响应；能够调节和修饰表面（surfaces）、线路和生理；整合信号和刺激，以新型和难以想象的方式提高系统的性能。功能性生物材料和生物复合材料，以及电子与生物技术整合的潜力可以通过适应或规避环境，修复缺陷与损坏以及提供额外保护来增强交通、物理基础设施和可穿戴设备。整合对代谢活动、细胞间通信以及与周围环境（传感、生物相容性、三维空间填充）的理解和对生物线路的工程化设计是实现上述功能的基础，而材料科学、机器学习、人工智能以及数据集成的进步是实现这些能力的关键。