李峰，張先恩

（1 中國科學(xué)院武漢病毒研究所，生物安全大科學(xué)研究中心，病毒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2 中國科學(xué)院深圳理工大學(xué)（籌）合成生物學(xué)院，廣東 深圳 518055）；3中國科學(xué)院生物物理研究所，生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

1959 年，量子物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在加州理工學(xué)院發(fā)表了一次歷史性的演講［1］。他提出了一個(gè)問題：“為什么我們不能把24卷《大英百科全書》全部寫在一個(gè)針尖上？”要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須將書寫工具的尺寸縮小25000 倍，而這在當(dāng)時(shí)是不可能做到的。然后費(fèi)曼轉(zhuǎn)向了生物系統(tǒng)：“它可以非常小，許多細(xì)胞非常微小，但它們非?；钴S；它們制造各種物質(zhì)，在非常微小的尺度上做著各種神奇的事情”。這個(gè)問題挑戰(zhàn)了幾代人，并在接下來的幾十年里催生了一個(gè)新興的科學(xué)領(lǐng)域——納米技術(shù)［2］。從富勒烯到碳納米管，再到石墨烯，碳納米材料的相繼出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，是納米技術(shù)興起和快速發(fā)展的縮影［3］。

在同一時(shí)期，伴隨著DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)，生命科學(xué)發(fā)生了革命性的變化。一方面，隨著分子細(xì)胞生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物組學(xué)的發(fā)展，人們對生物大分子、細(xì)胞和細(xì)胞過程的結(jié)構(gòu)和功能有了前所未有的認(rèn)識。生物學(xué)和納米科學(xué)的結(jié)合揭示了活細(xì)胞正是一個(gè)充滿分子機(jī)器的天然納米工廠。另一方面，基因工程技術(shù)使人們能夠操縱生物大分子，甚至從頭合成生物系統(tǒng)。生物技術(shù)與納米表征技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建有益的生物基納米材料與器件以及雜合生物納米器件成為現(xiàn)實(shí)［4］。于是，進(jìn)入21 世紀(jì)以來，納米生物學(xué)（nanobiology）作為一門新興的前沿交叉科學(xué)應(yīng)運(yùn)而生［5］。納米生物學(xué)是從納米科學(xué)的角度，在微觀尺度上認(rèn)識生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)行機(jī)制，研究納米材料的生物效應(yīng)，利用生物技術(shù)和納米技術(shù)的方法和工具，創(chuàng)造生物基或仿生功能納米結(jié)構(gòu)和納米器件，發(fā)展納米生物技術(shù)，造福人類。

同樣在21 世紀(jì)初，在系統(tǒng)生物學(xué)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，合成生物學(xué)蔚然興起［6］。合成生物學(xué)秉持“建物致知，建物致用”的理念，采用工程科學(xué)原理，通過生物體系的模擬、設(shè)計(jì)、合成和改造，以更加深刻地理解生命的內(nèi)在規(guī)律，驅(qū)動(dòng)生物技術(shù)的迭代升級。多學(xué)科交叉性也是合成生物學(xué)的典型特征之一［7］。

在學(xué)科匯聚融合的浪潮下，納米生物學(xué)與合成生物學(xué)相結(jié)合，形成合成生物學(xué)一個(gè)新的分支方向—納米合成生物學(xué)。合成生物學(xué)與納米生物學(xué)既有共性，例如都依賴生物體系的合成能力；也有互補(bǔ)性，例如前者發(fā)展的新技術(shù)可提升后者生物基納米材料和器件的設(shè)計(jì)和制備水平，后者構(gòu)建的納米材料體系則可以賦能前者、實(shí)現(xiàn)功能超越，該領(lǐng)域未來可能朝模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、仿生化、功能集成化和智能化方向發(fā)展（詳見本?？櫿閳F(tuán)隊(duì)綜述）［8］。一系列代表性的材料體系展示了合成生物學(xué)與納米生物交叉融合所開啟的巨大創(chuàng)新空間，在腫瘤治療、環(huán)境修復(fù)、能源工程等方面有巨大潛在應(yīng)用前景（詳見本?？檹V軍團(tuán)隊(duì)綜述）［9］。

本專刊邀請領(lǐng)域內(nèi)的一線科學(xué)家從納米遞送載體、DNA納米技術(shù)、納米酶、病毒納米生物技術(shù)、抗體納米技術(shù)、合成受體生物傳感、無機(jī)納米材料的生物合成等多個(gè)角度較為系統(tǒng)地介紹了納米合成生物學(xué)的進(jìn)展。

核酸和蛋白質(zhì)是最重要的兩類生物大分子，也是生物基納米材料的主要構(gòu)筑基元。得益于堿基互補(bǔ)配對原則，自組裝DNA 納米結(jié)構(gòu)具有高度可設(shè)計(jì)性、精確可尋址性、模塊化組裝等優(yōu)勢。在本?？?，楊洋團(tuán)隊(duì)探討了DNA納米技術(shù)在合成生物學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值，介紹了DNA納米結(jié)構(gòu)在控制生物大分子有序裝配、構(gòu)建和調(diào)控仿生細(xì)胞元件、生物過程和生化體系中的獨(dú)特優(yōu)勢，展示了這些生物合成體系在藥物遞送、腫瘤治療等不同領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，并對未來可能取得突破的研究方向進(jìn)行了討論［10］。樊春海團(tuán)隊(duì)對近期的一項(xiàng)利用自組裝蛋白質(zhì)納米線輔助酶固定的研究進(jìn)行了熱點(diǎn)評述，指出了蛋白質(zhì)納米組裝體在精準(zhǔn)構(gòu)建高效生物催化劑方面的潛在價(jià)值［11］。許海燕團(tuán)隊(duì)總結(jié)了雙特異性抗體及納米技術(shù)在腫瘤免疫治療中的應(yīng)用進(jìn)展，闡述了基于納米顆粒的雙特異性抗體制劑在提高療效、增加轉(zhuǎn)化潛能、開發(fā)新治療策略等方面的獨(dú)特作用，并展望了納米技術(shù)介導(dǎo)的靶向治療策略在腫瘤聯(lián)合治療中的應(yīng)用前景［12］。黃興祿團(tuán)隊(duì)介紹了合成生物學(xué)技術(shù)在納米酶的定制與合成中的應(yīng)用進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了利用蛋白納米籠骨架進(jìn)行納米酶設(shè)計(jì)和合成的研究案例及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用探索，合成生物技術(shù)為蛋白納米籠的改造提供了重要基礎(chǔ)［13］?？锶A團(tuán)隊(duì)綜述了合成受體技術(shù)用于食品污染物生物檢測的現(xiàn)狀，指出多學(xué)科技術(shù)交叉融合是受體生物傳感技術(shù)發(fā)展的巨大推動(dòng)力，分析了合成受體在食品安全檢測應(yīng)用中的瓶頸問題和發(fā)展方向［14］。

病毒是合成生物學(xué)的有力工具，可作為基因回路的遞送載體，也被視為一類典型的生物納米材料，在疫苗、催化、藥物遞送、疾病診療、微電子學(xué)、光子學(xué)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。對病毒或病毒樣顆粒進(jìn)行可控的功能化修飾，是增強(qiáng)或重塑其功能的重要手段。謝海燕團(tuán)隊(duì)總結(jié)了病毒及病毒樣顆粒的生物正交修飾策略及其在動(dòng)態(tài)示蹤，疫苗開發(fā)、病毒檢測，遞送載體構(gòu)建等方面的應(yīng)用，并展望了生物正交反應(yīng)與其它技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)病毒材料精確功能化的前景［15］。崔宗強(qiáng)團(tuán)隊(duì)介紹了合成生物學(xué)技術(shù)在熒光探針合成、生物靶標(biāo)分子標(biāo)記以及病毒熒光示蹤等方面應(yīng)用的現(xiàn)狀，并對該領(lǐng)域面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)（熒光雜合生物材料可控合成、生物分子原位多重標(biāo)記等）進(jìn)行了探討和展望［16］。梁曉聲等人報(bào)道了利用噬菌體-納米金雜合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電化學(xué)分析的研究工作，這種生物-納米雜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了電極的導(dǎo)電性，并增加了酶的固定位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了靈敏度的顯著提升［17］。

合成生物學(xué)研究通常都是圍繞有機(jī)分子開展，而近年來龐代文團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，創(chuàng)建了利用活細(xì)胞合成無機(jī)納米晶體的研究體系［18］。在本期?？?，特邀他們對“時(shí)-空耦合”活細(xì)胞合成量子點(diǎn)（一類無機(jī)半導(dǎo)體納米材料）方面的特色原創(chuàng)性工作進(jìn)行介紹。他們歸納了量子點(diǎn)（準(zhǔn)）生物合成相關(guān)的調(diào)控策略、機(jī)理及其在生物標(biāo)記與成像、病原體與重金屬離子檢測等方面的應(yīng)用，并展望了生物合成的無機(jī)功能納米材料賦能生物體系的巨大潛力［19］。

納米合成生物學(xué)已經(jīng)成為生命本質(zhì)探索和技術(shù)革新升級的助推器，催生了令人振奮的新研究方向，一些極富創(chuàng)新的研究正在由概念變?yōu)榭蓪?shí)現(xiàn)甚至產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。合成生物學(xué)與納米技術(shù)，作為兩個(gè)同期快速發(fā)展的科學(xué)領(lǐng)域，其動(dòng)態(tài)交叉融合將不斷為納米合成生物學(xué)發(fā)展注入活力，打開和拓展人類對科學(xué)技術(shù)的想象和駕馭空間，必將在培植顛覆性技術(shù)、解決人類挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。