ㄧ、合成生物學應用範疇
合成生物學(Synthetic Biology)是一個結合了生物學、基因工程、機械工程、資訊科技等各領域的知識與技術的學科。旨在透過設計、製造和修改生物基因系統來使其對人類具有特定的價值，未來更可能透過合成與組合來創造基因組。

目前合成生物學在製藥與醫學中的應用展現了許多潛力，
(一) 藥物探索領域：從篩選化合物、識別新藥的作用位點與設計藥物分子，都能夠以合成生物學的方法開發並解決挑戰。
(二) 疾病治療：合成生物學能夠使解決部分藥物分子難以大量生產的問題，如細胞因子與酶，帶來了更加穩定的治療產品。
(三) 臨床診斷方面：合成生物學工具能縮短診斷時間，並提高準確性與便攜性，簡化工作流程並降低成本。
(四) 其他：除了藥物上的應用外，合成生物技術也正改變人們在農業、能源、製造業等產業的研究方式。

二、合成生物學工具與方法
為了能改造生物體的運作機制，合成生物學不停的發展，創造了功能強大的工具。研究人員可以運用這些工具來開發細胞因子或是酶等生物製劑，能夠縮短開發時兼併顯著地降低開發成本，更能夠驅動原本難以開發的罕見疾病藥物的發展。合成生物學目前使用的技術包含 : 基因電路(Gene circuits)設計、基因編輯工具、定向演化(Directed evolution)、框架生物體(Chassis organisms)等。以下列出兩項新興合成生物學工具：

(一) 生物感測器(Biosensor)
生物感測器運用於藥物開發與治療中的目的為靈敏地辨識標靶分子並釋放治療藥物。合成生物學技術開發出的生物感測器如微生物控制系統(Microbial control systems)、全細胞生物感測器(Whole cell biosensors)、活體細胞分析(Whole cell living assays)、無細胞核酸感測器(Engineered cell free nucleic acid sensors)等，可以幫助人們更快速地偵測許多疾病的生物標誌物，並提供治療方法的建議。

透過基因工程與合成DNA模板來修飾微生物的自然特性，能夠增加其偵測環境中的各種因子的能力，並產生可被人們偵測到的變化，以作為生物感測器；而無細胞的生物傳感系統透過蛋白質或DNA的交互反應來達到感測環境中因子的目的，無細胞傳感系統也因不使用基因改造的細胞，較少有生物安全上的疑慮。

目前研究人員們開發重點包括 : 通用的生物感測器平台以及可編程的生物傳感系統。

(二) 基因電路與無細胞生物製造
傳統生物製造通常使用細菌、酵母菌和動物細胞；不過由於大量培養有許多限制，如生物代謝廢物，使培養難以持續，影響了生物製造的產量。而研究人員對於基因電路日益了解使它成為有潛力取代基於細胞的生物製造方法。以基因電路為基礎的無細胞生物製造平台，使用容易控制的代謝途徑，在精準控制的環境中，進行生化合成，產出目標的生物分子。無細胞系統能夠更有效率的使用碳源，能夠設計可持續製造方法；另外，無細胞系統生產規模容易調整，在生產罕見疾病藥物或個人化的藥物上是較容易控制成本的方法。生產的穩定性來講，無細胞系統比基因改造細胞來說更為穩定與安全，發生意料外的反應機會較低。

目前基因電路技術的開發重點為通用的生產系統，並結合人工智慧與自動化，實現最理想的反應條件，增加反應的效率。


三、合成生物學於藥物發現之發展近況
(一) 合成生物學之優勢
1. 相較於傳統在藥物探索上，透過已知的藥物知識來進行藥物的功能評估；合成生物方法能夠透過以目標功能為導向來篩選藥物標的Target based Drug Discovery(TDD)，加速候選藥物鑑定。
2. 另外，以表現型篩選Phenotypic Drug Discovery (PDD)結合合成生物學也是逐漸受到重視的方法，合成生物學提供更有效率與更具可控制性的篩選系統，即時取得細胞內數據並進行處理，來獲得藥物資訊。
3. 而在先導藥物的選擇(Lead selection)上，合成生物方法能夠實現從頭設計和開發先導藥物，不需依賴天然合成的藥物來源。
4. 與基因調控相關的療法，傳統方法由於脫靶效應發生的可能較高，在安全和有效性的評估上有許多挑戰；合成生物方法能夠在藥物開發時，實現受到及時監測並受控的反應，更能減少脫靶效應的發生。
5. 合成生物方法能夠透過基改微生物降低藥物開發時微生物產生抗藥性的問題；另外建立合成系統也能應對抗藥性問題。

(二) 近期研發動向
1. 定向演化(Directed evolution)概念在藥物開發中逐漸興起。首先建立隨機的基因庫，接者透過篩選方式挑出具備特定功能的蛋白質基因。重複前述流程可以挑選出具備優異功能的基因，進而發展出具備新功能的蛋白質與藥物。
2. 框架生物體指的是在合成生物學中扮演乘載著生物零件的平台，大多數為活的有機體，透過基因工程，這些框架生物體能夠更穩定並加快藥物發現與測試。
3. CRISPR Cas9系統是合成生物學領域中一個強大的工具，它在改變基因組成上有著優秀的能力，該系統也衍生出數種方法，分別在不同情況有不同優勢，如CRISPRi篩選有助於發現耐藥基因、CRISPRa在活化基因有較好的效率。
4. 使用基因電路能夠加快細胞內活動的速度，並能夠用來即時監測活細胞，能在藥物篩選過程中更快速的得到結果，以細胞藥物反應為基礎，進階的基因電路能夠實現高通量的藥物篩選平台；另外，結合誘導性多潛能幹細胞衍生細胞(iPSC)和類器官(Organoid)建立藥物篩選模型，則能夠提高與疾病的相關性，增加藥物篩選的預測能力。

四、合成生物學於療法開發之發展近況
多年以來，合成生物學不斷發展，而製藥市場也逐漸體會到使用合成生物學在開發下一代療法所能帶來的優勢。
(一) 疫苗開發
在先進的疫苗開發上，如核酸疫苗與抗體生產，合成生物學工具的運用帶來了優勢包括 : 透過鹼基修飾、點擊化學、基因電路等方法的運用，提升了核酸治療分子的穩定性，能解決以往RNA疫苗在穩定性上的問題。而使用透過合成生物學所開發出的微生物生產系統，能使抗體或蛋白質生產能力的提升。

(二) 細胞療法
細胞療法如CART(嵌合抗原受體T細胞療法, Chimeric antigen receptor T cell)經過合成生物學工具的整合得到了提升。結合基因電路所開發出的智慧細胞療法(Smart Cell Therapies)，能夠降低細胞治療的毒性；另外於誘導CART細胞中加入自我消滅的開關，能夠防止細胞衰老所帶來的負面影響如細胞因子的大量釋放。

(三) 微生物相關
研究人員可以利用框架生物體來擴展相關療法的治療效果，如產生或分泌具療效的基因或蛋白質，在發炎性腸道疾病、糖尿病、癌症等疾病療法的開發上帶來夠多可能性。而經過特定基因改造的微生物群，能夠作為生物感測器，在藥物開發或疾病診斷上都能有潛力成為重要的角色。

五、創新案例介紹:
(一) 先進細胞編碼平台
代表廠商：bit. bio
位於美國的bit. bio公司為研究、藥物發現和細胞治療提供人體細胞。該公司的ioCells™為應用獲得專利的細胞重編程技術opti-ox™，來誘導轉錄因子的表達，將iPSC分化成特定的人類細胞種類，包括神經細胞、免疫細胞和肌肉細胞，該公司正在建立臨床管道，將ioCells™用於研究和藥物開發。透過高通量的基因篩選與高級的數據分析平台，bit. bio能精準地將幹細胞誘導分化成為各種細胞。

(二) 病毒編輯平台
代表廠商：SynVaccine
位於以色列的SynVaccine專門從事病毒相關療法。該公司的SynRAD是一種建立在大數據分析和合成生物學的開發平台，能夠編輯並創造病毒。運用該平台，SynVaccine透過研究和制訂病毒的自然演化規律，來設計具有所需功能的病毒，並透過獨特的雙向驗證流程進行製造，SynVaccine能夠微調病毒的選擇性，並控制病毒的複製速度、表達的轉基因。該公司目前開發出高效且準確的溶瘤病毒，在開發癌症療法上有著巨大的前景；另外，該公司也持續的與戰略夥伴合作，開發動物用疫苗。

(三) 利用基因電路開發免疫細胞療法
代表廠商：SentiBio
位於美國的SentiBio運用基因電路來開發免疫細胞的相關療法。疾病通常涉及複雜的生物交互作用，而現有療法通常僅具有單一的作用機制，治療的有效性常常受到限制。Senti Bio 已經建立並持續擴展強大的設計-構建-測試-學習開發引擎，一一處理了如標的的異質性、疾病的對於藥物的耐受性、最佳治療劑量的窗口狹窄、隨著疾病的動態變化須調整療法等傳統療法難以解決的挑戰。SentiBio設計出數千個基因電路，他們相信這些基因電路編程將能廣泛適用於精準控制及設計的藥物中，並已在NK細胞、T細胞、基因治療與iPSC應用等方面得到驗證。