合成生物学是以工程化设计为理念，利用基因组测序技术、计算机模拟技术、生物工程技术和化学合成技术等对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成的一门新兴交叉融合性学科。该领域不仅是对基本科学原理的创新，更是跨学科、跨领域的集成创新，具备前沿性、颠覆现有工业生产流程、有应用市场及能创造新的经济增长点等鲜明特征，是继DNA双螺旋结构发现和基因组测序后的“第三次生物科学革命”。因其突破了生命发生与进化的自然法则、打开从非生命物质向生命物质转化的大门，不仅将生命科学研究引入“多学科汇聚式”范式，也迎合正处于“国民经济高质发展、科技经济深度融合、全球科技创新版图深度调整、创新策源能力重要攻坚”的时代历史时期下国家在安全、环境、资源及健康等各方面的需要。

1、研究背景

“合成生物学”作为正式学术名词是1980年由德国科学家提出的[1]。随着研究推进，2000年《自然》（Nature）杂志报道人工合成基因线路研究成果[2]，将“合成生物学”研究推至世界范围。欧美各国围绕“合成生物学”的研究，无论是基础研究、战略规划、财政支持、机构建设，还是伦理规范，都已建设健全。在大环境的影响下，我国的“合成生物学”研究也取得长足的发展。2010年之后，我国在该领域的顶层战略规划加强。2011年底，国家发布《“十二五”生物技术发展规划》，把与合成生物学有密切关系的“工业生物科学”列入前瞻性基础研究领域，还将合成生物学技术列为需要重点突破的核心关键技术之一。随后，我国《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”生物技术创新专项规划》都将合成生物技术列为“构建具有国际竞争力的现代产业技术体系”所需的“发展引领产业变革的颠覆性技术”之一；《国家自然科学基金“十三五”学科发展战略报告生命科学》将“生命及生物学过程的设计与合成”列为重要的交叉研究优先资助领域之一[3]。与此同时，构建合成生物伦理监管体系、合成生物学领域的长期、短期技术发展路线整体规划已逐渐被提上议程[4]。

在战略规划的指导下，基于科技情报视角探究“合成生物学”基础研究方面的信息，发现：国内学者分别从文献计量[5,6]、基础研究和应用开发[7]、引文网络揭示知识扩散信息[8]等不同研究角度对合成生物学进行剖析。这些研究论文的数据来源均以1990—2010年为时间窗，经由人工判读发现：这些研究成果几乎聚焦对全球合成生物学发展态势的研究，没有充分的信息资料反映我国在该领域的发展情况。笔者又通过调研相关论著及研究报告发现：有专家学者也通过关键词检索的方式得到“与国外合成生物学快速发展的态势比较，2010年前我国对该项技术的了解、认识和掌握明显不足”的结论。

因而，为更好了解我国合成生物学，特别是自2010年后的发展态势，本文从产学研视角，运用文献计量和内容分析法，对我国合成生物学研究的相关信息进行剖析挖掘，并将关键信息再组织，以揭示近年我国合成生物学的发展情况。

2、研究要素

我国近年合成生物学的发展态势从以下两部分展开。第一，试图通过学研态势与产业态势分析维度，进行发展态势的分析；第二，基于分析维度及相应研究载体，阐释选择哪些适宜方法推进研究。

2.1分析维度

立足产学研分析维度，将研究维度中所涵盖的主要研究载体及作用描述如下（表1）。

2.2研究方法

文中的主要分析载体涉及科技文献（学术论文和专利）、科技纪事及资本。运用文献计量结合内容分析法挖掘载体背后承载的信息，并将信息进行再组织与适时表达，能让受众从不同角度对近年合成生物学领域的发展形成认知。

文献计量是图书情报学中的专有方法，适用于科技文献分析，已衍生至各门学科，是基于一定理论体系、倾向文献外部特征且分析粒度较粗糙的方法。我国学者邱均平教授对文献计量学的定义是：“以文献体系和文献计量特征为研究对象，采用数学、统计学等的计量方法，研究文献情报的分布结构、数量关系、变化规律和定量管理，并进而探讨科学技术的某些结构、特征和规律的一门学科”。文献计量法被运用得比较多的场景是：定量追踪不同研究领域的科学发展状况、热点前沿、科学影响力、合作网络或演进历程，具体通过对文献清楚直观的类目体系——作者、机构、期刊、学科、引文等进行实体数目的统计，从中获取相应的中宏观信息。

表1我国合成生物学发展态势分析维度、主要研究载体与作用描述

内容分析法发源于传播学，逐步推广至社会科学，并被运用在军事信息分析、竞争情报分析和社会网络分析等研究分支，也是当前被情报学沿用的主要方法之一。相对文献计量来说，内容分析法的使用更灵活，不仅适用于对具有固定结构的文献的分析，也适用一些无文献实体的语言、动作、行为等的分析。传播学家伯纳德·贝雷尔森对内容分析法的定义是：“一种对具有明确特征的传播内容进行的客观、系统和定量的描述的研究技术”。内容分析法无固定的类目体系，经常需依据不同的研究目的进行调整，因此，具有主观、人为、定性及多元等特征。内容分析法侧重分析对象的内容特征，故其分析细粒度依据研究对象或目的，有粗细之分。总体而言，内容分析法是挖掘科技文献，隐性信息的定量方法之一。

文献计量与内容分析法都是以文献为研究主体，分析其内外部特征，由于这两种方法在情报研究领域持续发挥力量，二者已成为情报学的核心研究方法，也是情报学走向成熟的标志性方法[11,12]。本文交替使用以上两种方法来完成对我国合成生物学学术文献与专利文献的分析研究。分析研究过程中产生的信息通过提炼组织后在本文主要以可视化形式呈现，可视化的优势在于将表现内容的内在逻辑显性化，将实体物质的抽象特征具体化，将复杂关系的结构特征流程化，多数情况是以图谱呈现与表达，易于读者根据自有经验及知识理解、判断、掌握研究对象的本质[13]。

3、我国合成生物学发展态势

由于跳脱自然科学客观存在的规律，完全由人为基于相关机理进行制造、生产，合成生物学持续处于被研究和被关注的状态。为更好研判近年我国在该领域的发展态势，本节将从学研和产业态势两方面进行分析。

3.1学研分析

学研分析维度，以学术文献与科技纪事为分析载体进行跟踪研究。

3.1.1学术文献

围绕合成生物学有关的学术文献展开检索，具体检索策略见表2。

依据表2的检索式进行分析检索（检索时间为2020年1月13日），对检索记录中我国在该领域的发文量、主要学术机构和主要研究方向进行信息收集与分析。

表2合成生物学文献检索策略

（1）对1116篇我国发表的学术文献按年度进行发文量统计，发文趋势见图1。

根据发文量及对应的年增长率，我国合成生物学发文趋势呈现稳定发展略下降态势，尤其自2017年起呈现持续下降趋势，年增长率连续负值。造成基础研究态势减缓的原因可能有如下几种：第一种，有数据[5,6]显示，1990—2010年间，全球合成生物学的发文态势持续增长，我国在此时间段内的论文产出量约占全球4.26%。2011—2019年，我国学术论文产出量约占全球总量的14.37%，可见我国合成生物在论文产出量方面增速明显；第二种，按研究的发展生命周期来看，类指数数量的增长大多处于研究初期，第一种描述的数量占比一定程度说明该领域的基础研究已逐步进入稳定阶段，研究重心可能移至基础研究向技术转化的发展阶段；第三种，论文刊出有一个时滞期，尤其2019年度的论文可能存在还未刊出的情况，因此从总量上影响整个发展态势。综合以上三点，较能解释图1中呈现出稳定发展中略有下降态势的研究结果。

（2）对主要研究机构进行统计和梳理，见表3。

主要研究机构中以中国科学院为论文产出的主力军，其余各地著名高校在论文产出方面的贡献也不可忽视。

（3）借助Citespace分析软件统计学术文献中的高频术语，通过词频高低对合成生物领域的主要研究方向进行描述，见表4。

根据以上高频术语，当前我国合成生物学研究的主要焦点是依托计算的遗传研究，遗传研究是探测临床疾病的基础，在这一基础理论的引导下，基因表达研究、人工神经网络、乳腺癌、缺陷诊断便有理论依据；除此以外，新型技术如雷达监测、图像分割和机器学习也是当前渗透进合成生物学领域的前沿技术；生物燃料、纳米物质是颠覆产业结构、创造新的经济增长点并改善生态环境的新型能源物质，是合成生物领域产业链中的重要经济产品。

图12011—2019年我国合成生物学发文趋势

表3我国合成生物学主要研究机构

表4我国合成生物学学术论文中的高频术语

通过高频术语，不仅了解了合成生物学的理论依托、明确技术构成，熟悉当前的经济产品，还反映了当前我国合成生物学的研究方向。

3.1.2科技事纪

除去对学术文献的分析，通过网络调研，罗列我国近年与合成生物学有关的科技大事纪（图2），从学术会议交流、构建科技共同体到战略意义等多样形式描述我国合成生物学近年的发展情况。

已有相关研究[6,7]表明：1990—2010年，我国合成生物学领域的发展处于努力跟跑世界强国的发展态势。透过前文数据得知：2011年至今，学术文献输出情况、研究机构和研究方向等外部信息一方面可表明“我国基本具备能够与实力强国抗衡”的发展态势。然而，处于当前发展阶段，梳理关键科技事件（图2）能从另一方面反映出更多的隐性信息。第一，大科学集群发展态势已渐凸显。合成生物学本身最大的特性是前沿颠覆性与基础集成性。前沿颠覆性体现在背离自然规律进行人工合成，基础集成性在于依托工程、生命、计算等基础学科的理论原理进行实物整合性的科学实验研究，合成生物学是名副其实的“人造”大科学集群。这样的特质必定融合不同背景、领域的研究者共同参与，形成科技共同体，以思维集结的方式快速推进基础性研究。第二，基础设施的搭建与行业协会的成立。合成生物学“造物致知，造物致用”的本质特征及科技共同体的结盟共同推进研究的配套基础设施搭建，如：2017年底，中科院深圳先进技术研究院下设的合成生物学研究所组建，同一时间成立国内首个合成生物学产学研联盟——深圳市合成生物学协会，继而又在2019年成立亚洲合成生物学协会，一系列构建举动为合成生物学发展提供匹配的软硬件设施。第三，战略意义。我国2018年发布的《国务院关于印发积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案的通知》（国发[2018]5号），明确鼓励支持具备基础性、战略性和前瞻性的科学研究，加之大学集群、行业协会的发展进程，合力推动合成生物学研究步入战略化发展态势。最具规模的战略扶持举动是2018年国家核拨8.37亿元优先部署“基因组人工合成与高版本底盘细胞、人工元器件与基因线路、人工细胞合成代谢与复杂生物系统、使能技术体系与生物安全评估”4个专项任务[14];2019年国家继续核拨6亿元经费倾向部署“人工基因组合成与高版本底盘细胞构建、人工元器件与基因回路、特定功能的合成生物系统、使能技术体系与生物安全评估、部市联动项目”5个专项的基础研究[15]。综上，该领域研究已经实现从基础研究性质到国家持续战略布局的升级转化。

图2我国合成生物学近年发展科技事纪

3.2产业分析

产业分析维度，通过分析专利文献和资本适时反映近年我国合成生物学产业发展态势。

3.2.1专利文献

有效专利因其处于正在授权的状态，不仅能在一定程度上反映出时效性，还能体现出技术的独特性。同时，Innography专利分析平台拥有全面的数据库，在此选取这一数据分析平台进行我国合成生物技术分析。以@(abstract,claims,title)(syntheticbiology)OR(genecircuit)OR(genecircuits)OR(geneticcircuit)OR(geneticcircuits)OR(geneticdevice)OR(geneticdevices)OR(syntheticlife)OR(syntheticlives)OR(synthetictissue)OR(synthetictissues)OR(syntheticcell)OR(syntheticcells)OR(syntheticgenome)OR(syntheticgenomes)OR(syntheticgene)OR(syntheticgenes)OR(minimalgenome)OR(minimalgenomes)OR(essentialgene)OR(essentialgenes)OR(biology,synthetic)为检索式进行合成生物技术有效专利的检索与分析（检索时间2020年1月14日）。对检索记录中有效专利数量、核心专利文本高频词汇和核心专利技术功效进行分述。

（1）对我国24962篇有效专利按年度进行统计，技术发展趋势由图3体现。统计我国有效专利数量并计算相应净增长率，发现我国在合成生物学领域的技术发展呈增长态势。2011—2019年，有效专利数量持续增长，增幅随年度有上下浮动。

图32011—2018年中国合成生物学有效专利趋势

（2）Innography系统平台中，将专利强度处于80%—100%的专利定义为“核心专利”。对24962件中国有效专利进行专利强度设定，得到616件核心专利。对我国核心专利的标题摘要进行词频统计，高频术语见表5。

表5我国合成生物学有效核心专利文献中的高频术语

我国合成生物学领域的核心专利更多聚焦于实验研究，如：表5中罗列的高频术语有制备方法、实验步骤、生产工艺、原材料和控制方法等。除此之外，核酸、脂肪酸、氨基酸都是生物生命建构的基础物质，在此基础上完成实用生物模型的构建。

（3）为深入挖掘我国合成生物学技术发展构成，采用专利技术功效图对相应的技术手段和实现功效进术语行梳理统计。专利技术功效图是以矩阵形式表达专利中技术与功效的分布，技术与功效的交叉点是专利数量，通过数量分布的稀疏密度可研判技术发展的密集区和空白区[9]。通过人工标引标注616条核心专利的摘要/权利说明，按功效对专利进行归类，总结归纳形成合成生物学技术功效图（图4），用可视化图谱显示我国合成生物学的专利功效分布。

图4我国合成生物学核心专利技术功效

基于图4，先从技术手段和功效两个维度分别观察整张图谱，技术手段涵盖网络通信、生物、化学、物理、信息、材料、能源、组织工程、计算机、大数据、人工智能、芯片、纳米和神经生理技术。针对的主要功效有业务决策、提升各种效用（包括提高网络容量、提高生产效率、提升视频质量等）、方法优化、疾病治疗、促进环保、测量指标、合成新物质、防伪、能源转化和医疗信息化。再从技术手段和功效两方面交互分析图谱，网络通信技术和计算机技术在提升效用方面的功效显著。所有技术都在“方法优化”功效上有所贡献，其中以生物、化学、物理、信息、能源和计算机技术尤甚，说明以上技术的更新升级程度相较其他技术更加凸显。生物和化学技术在疾病治疗方面优势明显。整体上，我国的合成生物学技术集中在网络通信、生物、化学、物理、能源和计算机方面，实现方法优化的功效。

除上述集中区域，矩阵图还直观呈现通过网络通信、计算机、大数据技术支撑决策；化学、能源和纳米技术助力环保；生物、化学和材料技术促进新物质的合成；网络通信和物理技术在防伪方面、化学和物理技术在能源转化方面、信息技术和大数据技术在医疗信息化方面均有所体现，但集中度很低。以上这些区域一定程度代表着合成生物学的技术空白点，也可理解为未来发展的趋势所向。

3.2.2资本

国外最新相关研究报告统计显示：2016—2019年，合成生物学全球行业投资急速上涨，由2016年的约13亿美元上涨至2018年的38亿美元。2019年上半年融资19亿美元，第二季度是史上融资额最高时段并持续保持热度。以这种速度发展，有相关人士预估，再增加33%的投资笔数，2019年的投资总额将与上年持平。

然而，我国在合成生物学领域有非常典型的商业案例。以近年最著名的青蒿素为例，中国研究学者屠呦呦因此获得诺贝尔奖。青蒿素最初取自植物黄花蒿，但植物的生长受限于耕地、环境、生长周期等因素，而人工通过引入青蒿素基因进入人造酵母，借助发酵作用，就能像“酿酒”般制造出大量青蒿素。这样的工艺不仅解决了青蒿素原料问题，还节约了用地，改变了传统培育模式；凯赛生物创始人刘修才曾对“维生素C”的生产进行科技项目攻关，利用生物法进行规模化生产，使得维生素C的成本降低了50%，全球维生素C迅速在中国聚能并延续至今；蓝晶微生物通过改造嗜盐菌株进行聚羟基脂肪酸酯合成，实现生产成本降低了50%以上，合成后的聚羟基脂肪酸酯可被用于生物医用、生物降解包装材料等。中国具有一些典型的商业案例，并逐步实现生产工艺的提升与经济成本的下降，但由于缺乏类似像美国地区性质体系化、集群式的科研团体，如波士顿—硅谷科技集群，资本融资在中国的显示度不够突出，当前中国在此方面的资本来源主要依靠政府的项目扶持。

4、结论

本文通过聚焦近年我国合成生物学的研究现状，从产学研角度进行适度剖析，将关键信息提炼、归纳总结形成如下结论要点。

合成生物学研产出趋于稳定，国家扶持专款专用。通过分析深挖学术文献中的信息，我国学术论文产出量当前约占全球总量的14.37%，整体发文趋于稳定态势；论文产出机构以中国科学院及全国著名高等校院为主；主要基础性研究围绕：依托计算的生命遗传理论，雷达监测、图像分割和机器学习等前沿技术在疾病、能源及环保的应用性研究；2013—2019年，科技共同体合作进行学术交流的力度加大，基础配套设施和机构相继建构成立；国家战略层，以科技部牵头，自2018—2019年连续对合成生物学进行了专款专项的重点财政扶持，为合成生物学的基础性研究给予充足的资金保障。

技术发展增速明显，资本依托政府主体。基于专利文献信息，2011—2019年间，关于我国合成生物技术的有效专利呈现持续增长态势；通过深入挖掘核心专利内容，当前的技术基础更多聚焦实验研究，在此基础上完成生命建模的构建工作；环保、新物质合成、防伪、能源转化及医疗信息化是未来技术发展的趋势所向；我国合成生物领域中已有青蒿素、维生素C等带动经济发展的重要产品，保障产业发展的资本基本依托政府扶持的项目资金。

我国合成生物学经过前期积累，于近年发展迅速，学研研究经历快速成长期进入平缓发展期，技术发展行进快速增长期。因合成生物学自身特性，该学科不仅能通过科技颠覆带来直接的经济效益，而且能够确保维护社会生态环境，实现“科技创新、环境友好”的利好发展，因此较快进入国家战略层级规划布局，开启合成生物领域自上而下的顶层设计发展模式，创造了中国合成生物学领域崛起的快速发展局面。

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[14]科学技术部.关于国家重点研发计划“合成生物学”重点专项填报2018年度项目申报书（含预算申报书）的通知.[EB/OL].[2019-09-21].

[15]科学技术部.关于发布国家重点研发计划“合成生物学”等重点专项2019年度项目申报指南的通知.[EB/OL].[2020-01-20].

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