2023年5月26日，由中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合部署、學(xué)科領(lǐng)域知名院士專家共同研究編撰的《中國合成科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》正式發(fā)布，該報(bào)告是“十四五”國家重大出版工程“中國學(xué)科及前沿領(lǐng)域2035發(fā)展戰(zhàn)略叢書”的分冊(cè)之一。合成科學(xué)是目標(biāo)導(dǎo)向的創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)，在當(dāng)前形勢(shì)下呈現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)，也面臨許多新的挑戰(zhàn)。

書中主要從生物學(xué)促進(jìn)的化學(xué)合成和化學(xué)促進(jìn)的生物合成兩個(gè)方面入手，研究和分析合成科學(xué)的歷史、現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、機(jī)遇與趨勢(shì)，指出需要通過化學(xué)與生物學(xué)的深度交叉與融合，開拓跨學(xué)科前沿交叉的新空間以構(gòu)建合成科學(xué)的新方向，為我國合成科學(xué)的持續(xù)、協(xié)調(diào)、跨越發(fā)展提出了有針對(duì)性的政策建議，值得我們特別關(guān)注。

合成科學(xué)是分子創(chuàng)制的核心和基礎(chǔ)，包含化學(xué)合成和生物合成兩種重要方式。合成科學(xué)與生命、健康、農(nóng)業(yè)、材料和能源等領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)。在當(dāng)前形勢(shì)下，合成科學(xué)的發(fā)展呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，也面臨新的挑戰(zhàn)。隨著化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，化學(xué)合成和生物合成之間出現(xiàn)由點(diǎn)到面的快速融合與相互促進(jìn)的趨勢(shì)，為合成科學(xué)帶來了前所未有的創(chuàng)新機(jī)遇。本書擬從合成化學(xué)促進(jìn)的合成生物學(xué)和合成生物學(xué)促進(jìn)的合成化學(xué)兩個(gè)方面入手，總結(jié)合成科學(xué)的研究特點(diǎn)、發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì)，凝練關(guān)鍵科學(xué)問題、發(fā)展思路、發(fā)展目標(biāo)和重要研究方向，為合成科學(xué)未來發(fā)展的有效資助機(jī)制及政策提供建議。本書旨在通過戰(zhàn)略研究，在化學(xué)合成與生物合成之間建立深度的科學(xué)鏈接，融合兩者各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，突破傳統(tǒng)的學(xué)科研究范式，構(gòu)建跨越化學(xué)合成與生物合成的合成科學(xué)新方向。

化學(xué)合成的發(fā)展史是一部與生物科學(xué)和技術(shù)相伴相隨的發(fā)展史。生物學(xué)促進(jìn)的化學(xué)合成主要是指模擬生物催化（如酶催化的方式）進(jìn)行化學(xué)合成的過程。生物體系的創(chuàng)制能力在催化機(jī)制、反應(yīng)原理、合成策略、分子功能等多個(gè)方面都對(duì)化學(xué)合成的發(fā)展有重要的啟發(fā)、促進(jìn)和借鑒作用。因此，生物學(xué)促進(jìn)的化學(xué)合成除了具備傳統(tǒng)化學(xué)合成條件耐受性好、規(guī)?；菀住⒌孜镞m用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，還具有生物合成高效、精準(zhǔn)、綠色的優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、安全經(jīng)濟(jì)的合成化學(xué)。生物學(xué)促進(jìn)的化學(xué)合成主要包括催化劑、反應(yīng)和復(fù)雜分子的合成策略三個(gè)層次，在本書中將圍繞如下內(nèi)容展開。

反應(yīng)是合成化學(xué)的工具和基石，生物轉(zhuǎn)化過程的理解能促進(jìn)仿生反應(yīng)的發(fā)展和應(yīng)用。仿生反應(yīng)是通過化學(xué)手段模擬生物體中酶催化反應(yīng)的成/ 斷鍵方式而進(jìn)行的化學(xué)轉(zhuǎn)化。本書第二章總結(jié)了有代表性的五類仿生反應(yīng)：仿生離子型反應(yīng)、仿生自由基反應(yīng)、仿生協(xié)同反應(yīng)、仿生雜原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)和仿生光化學(xué)反應(yīng)。發(fā)展新型仿生反應(yīng)對(duì)于豐富化學(xué)反應(yīng)類型和擴(kuò)展合成化學(xué)邊界具有重要意義。

催化是合成化學(xué)的關(guān)鍵，它決定了合成的效率、選擇性和可行性。生物合成促進(jìn)的化學(xué)催化包括對(duì)生物酶進(jìn)行化學(xué)模擬的仿生催化（本書第三章）和對(duì)酶進(jìn)行人工改造的定向進(jìn)化（本書第五章）。本書第三章闡述的仿生催化，是用化學(xué)方法在分子水平上模擬生物酶的化學(xué)催化技術(shù)，主要是基于酶的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制，設(shè)計(jì)并合成人工酶，以模擬和實(shí)現(xiàn)酶的催化功能。該章總結(jié)了已有的對(duì)催化中心的模擬和蛋白質(zhì)骨架模擬的仿生催化。發(fā)展仿生催化，可以綜合酶催化和化學(xué)催化的優(yōu)點(diǎn)，使催化劑的活性更高、選擇性更好，使合成更加精準(zhǔn)、高效、溫和、經(jīng)濟(jì)與綠色，有利于創(chuàng)造更多的新功能分子，滿足醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料、能源等多領(lǐng)域發(fā)展的需要。本書第五章講述的是人工酶的新型合成轉(zhuǎn)化。天然酶存在催化類型有限、底物范圍狹窄及穩(wěn)定性較差等問題，大大限制了其應(yīng)用。通過對(duì)酶的工程性改造，設(shè)計(jì)創(chuàng)造新型的人工酶，從而實(shí)現(xiàn)非天然的化學(xué)轉(zhuǎn)化，可以擴(kuò)展酶催化的反應(yīng)類型，使其在食品加工、飼料、洗滌、材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

合成策略是高效構(gòu)建復(fù)雜分子的前提和保障，對(duì)復(fù)雜分子生物合成過程的理解有助于提煉出高效的合成策略（本書第四章和第六章）。本書第四章講述的仿生天然產(chǎn)物合成，是以相關(guān)生物合成機(jī)制或生源假說為啟發(fā)和指導(dǎo)，模仿生物體內(nèi)導(dǎo)向天然產(chǎn)物的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化途徑，實(shí)現(xiàn)天然產(chǎn)物分子及其類似物的高效、快速構(gòu)建。仿生合成發(fā)軔于對(duì)天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)反應(yīng)性的深刻理解，是推動(dòng)新合成策略和合成方法研究的靈感源泉，對(duì)生物合成機(jī)制研究也具有重要的指導(dǎo)意義。本書第六章闡述的酶催化反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的活性分子合成，從策略角度可以分為化學(xué)—?酶法合成、異源— 化學(xué)合成和體外酶催化合成三種類型。酶催化反應(yīng)與傳統(tǒng)有機(jī)合成的良好結(jié)合，為有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

生物合成本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)生在生物體系中的合成化學(xué)過程，即利用生物體內(nèi)的各種酶促反應(yīng)，完成化學(xué)結(jié)構(gòu)的逐步構(gòu)筑的過程。生物合成通常以天然存在的功能分子為研究對(duì)象，研究范式和發(fā)展方式與物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)，屬于典型的交叉學(xué)科范疇。隨著天然功能分子進(jìn)化與演變規(guī)律認(rèn)知的不斷深入，生物合成研究也從單純的“學(xué)習(xí)自然”過程邁向“超越自然”的目標(biāo)，有力地促進(jìn)了傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物化學(xué)、藥物化學(xué)及合成化學(xué)等在研究方法和思路方面的變化，同時(shí)也為21 世紀(jì)初興起的合成生物學(xué)在功能分子的創(chuàng)制研究方面提供了理論基礎(chǔ)?；瘜W(xué)促進(jìn)的生物合成體現(xiàn)在基因、蛋白質(zhì)（酶）、細(xì)胞，以及反應(yīng)、途徑等不同層次，在本書中將圍繞如下內(nèi)容展開。

解析生物體系中功能分子形成的化學(xué)過程，是生物合成研究的主要內(nèi)容（第七章）。第七章依據(jù)天然產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu)或生物合成的典型特征，對(duì)不同類型的分子骨架組裝和組裝后修飾相關(guān)的酶學(xué)機(jī)制與規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。深入解析天然產(chǎn)物的生物合成途徑并闡明相關(guān)酶的催化機(jī)理，有利于理解生物合成過程中遵循的基本反應(yīng)規(guī)律，有助于利用組合生物合成或合成生物學(xué)技術(shù)來設(shè)計(jì)、改造和開發(fā)新型的活性天然產(chǎn)物分子，進(jìn)而探索其發(fā)揮的重要生物學(xué)功能，最終服務(wù)于人類生活和健康。

以創(chuàng)造化合物結(jié)構(gòu)多樣性為目標(biāo)，將不同的生物催化元件或化合物前體作為模塊，根據(jù)不同的組合方式，在體內(nèi)或體外經(jīng)過人為巧妙構(gòu)思和編輯，從而產(chǎn)生預(yù)期的分子多樣性群體，是生物合成研究成果應(yīng)用的重要體現(xiàn)（第八章）。第八章根據(jù)組合生物合成的研究理論及研究深度和廣度，將其分為四個(gè)階段（即探索期、起步期、拓展期、快速發(fā)展期）介紹了組合生物合成的研究進(jìn)展、現(xiàn)狀和存在的問題。

生物合成研究成果應(yīng)用的另一個(gè)重要體現(xiàn)，在于采用基因組挖掘技術(shù)發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)物和新機(jī)制（第九章）。通過建立結(jié)構(gòu)特征和基因序列信息之間的邏輯關(guān)聯(lián)，以基因組大數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析為基礎(chǔ)，挖掘和尋找潛在的編碼生物合成基因簇并最終獲得相應(yīng)天然產(chǎn)物，是天然產(chǎn)物化學(xué)領(lǐng)域研究策略的重大突破。從科學(xué)邏輯上看，基因組挖掘策略將天然產(chǎn)物研究的起始對(duì)象，從復(fù)雜的、具有三維結(jié)構(gòu)的化合物簡化至一維的、易于讀取和分析的DNA 序列信息，可顯著提高天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)過程的可預(yù)測(cè)性和成功率，有望從天然資源中深度挖掘出更多有用的藥物分子。

作為一種重要的生物學(xué)技術(shù)，異源生物合成可以有效彌補(bǔ)合成化學(xué)在復(fù)雜天然產(chǎn)物藥物生產(chǎn)方面的不足，降低大宗及精細(xì)化學(xué)品、能源產(chǎn)品等的成本，解決環(huán)境和資源的協(xié)調(diào)發(fā)展問題（第十章）。第十章將對(duì)微生物源、植物源天然產(chǎn)物及工業(yè)化學(xué)品異源生物合成研究的溯源、發(fā)展、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)影響高效異源生物合成的關(guān)鍵要素—基因編輯技術(shù)和底盤細(xì)胞進(jìn)行詳細(xì)討論。

生物合成研究屬于典型的交叉學(xué)科范疇，其研究范式和發(fā)展方式與物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。第十一章總結(jié)了生物合成研究所采用的技術(shù)方法，包括化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)信息學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科等技術(shù)方法。根據(jù)不同歷史階段生物合成研究所采用技術(shù)、策略的不同，該章還對(duì)生物合成研究歷史的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理。特別是以嗎啡、紅霉素等為例，對(duì)天然產(chǎn)物生物合成研究的經(jīng)典案例進(jìn)行了分析，體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展對(duì)領(lǐng)域發(fā)展的推動(dòng)作用。

作為不破不立、對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體的另一面，生物降解與轉(zhuǎn)化和生物合成不同，主要研究如何利用微生物的代謝能力，將污染物降解成無毒終產(chǎn)物或轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品，從而安全地處理合成科學(xué)產(chǎn)生的海量新型人工化合物，實(shí)現(xiàn)變危為安、變無為有、變廢為寶、變?nèi)鯙閺?qiáng)。第十二章就生物降解與轉(zhuǎn)化對(duì)于合成科學(xué)的綠色發(fā)展的重要意義進(jìn)行了闡述。

DNA 信息存儲(chǔ)與計(jì)算是一個(gè)新興的、多學(xué)科深度交叉融合的研究方向，對(duì)國家開發(fā)替代性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)、維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全和能源安全等具有重要的戰(zhàn)略意義（第十三章）。目前該領(lǐng)域正處于取得重大突破與開拓應(yīng)用的關(guān)鍵階段。國內(nèi)DNA 信息存儲(chǔ)與計(jì)算領(lǐng)域剛起步不久，提前做好對(duì)DNA 信息存儲(chǔ)與計(jì)算技術(shù)的戰(zhàn)略布局，有利于在新興產(chǎn)業(yè)中提前立足、在國防安全中提前防御，并推動(dòng)一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的發(fā)展。

對(duì)生物分子結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的理解有助于各種生物功能大分子（如糖、蛋白質(zhì)和核酸）的設(shè)計(jì)和發(fā)展，在本書中將圍繞如下三章展開。①第十四章講述糖的合成。應(yīng)用合成化學(xué)的新趨勢(shì)、新進(jìn)展和新手段，發(fā)展糖苷鍵的高效構(gòu)建方法、開發(fā)糖鏈的有效組裝策略，高效獲取復(fù)雜糖鏈和糖類藥物是糖合成研究的首要目標(biāo)與發(fā)展方向。②第十五章闡述蛋白質(zhì)的合成。利用高化學(xué)選擇性的連接反應(yīng)將多肽片段組裝成完整的、具有生物活性的蛋白質(zhì)，適用于精準(zhǔn)制備生物方法難以獲取的均一、選擇性修飾的蛋白質(zhì)樣品，有助于生化功能機(jī)制研究、蛋白質(zhì)藥物與功能材料研發(fā)，為靶向化學(xué)干預(yù)、疾病的診療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組合成、核酸的化學(xué)法和酶法合成、核酸高通量合成、功能核酸的開發(fā)等。

本文摘編自《中國合成科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》，編委會(huì)主任為中國科學(xué)院院士丁奎嶺，標(biāo)題和內(nèi)容有調(diào)整。

內(nèi)容簡介

合成科學(xué)是目標(biāo)導(dǎo)向的創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)，在當(dāng)前形勢(shì)下呈現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)，也面臨許多新的挑戰(zhàn)。《中國合成科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》主要從生物學(xué)促進(jìn)的化學(xué)合成和化學(xué)促進(jìn)的生物合成兩個(gè)方面入手，研究和分析合成科學(xué)的歷史、現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、機(jī)遇與趨勢(shì)；指出需要通過化學(xué)與生物學(xué)的深度交叉與融合，開拓跨學(xué)科前沿交叉的新空間以構(gòu)建合成科學(xué)的新方向。本書為我國合成科學(xué)的持續(xù)、協(xié)調(diào)、跨越發(fā)展提出了有針對(duì)性的政策建議。

本書為相關(guān)領(lǐng)域戰(zhàn)略與管理專家、科技工作者、企業(yè)研發(fā)人員及高校師生提供了研究指引，為科研管理部門提供了決策參考，也是社會(huì)公眾了解合成科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)的重要讀本。

編委會(huì)主任簡介

丁奎嶺，有機(jī)化學(xué)家，中國科學(xué)院院士，主要從事手性催化合成領(lǐng)域的研究?，F(xiàn)任上海交通大學(xué)校長、黨委副書記，第十四屆全國人大代表，第十三屆全國政協(xié)委員，兼任中國化學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)副會(huì)長、上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)常務(wù)委員會(huì)副主席、上海市徐匯區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席等。