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萌芽期（2005年以前）：基因線路在代謝工程領域的應用是這一時期的代表。典型成果：青蒿素前體在大腸桿菌中的合成。
起步期（2005-2011年）：基礎研究快速發展，工程化理念日漸深入，使技術平臺得到重視，方法以及工具的不斷開發，“工程生物學”早期發展。
成長期（2011-2015年）：基因組編輯效率大幅提升，技術開發和應用不斷拓展，技術的應用從生物基化學品、生物能源拓展至疾病診斷、藥物和疫苗開發、作物育種、環境監測、生物新材料等諸多領域。
創新階段（2015年以后）：合成生物學“設計—構建—測試”（Design-Build-Test，DBT）循環拓展至“設計-構建-測試-學習” （Design-Build-Test-Learn，DBTL）。生物技術與信息技術融合發展特點更加明顯，半導體合成生物學、工程生物學等理念相繼提出。
分子生物學與基因組工程是合成生物學的根基，因為必須透過剪接DNA，才能寫出所需要的作業系統;資訊科學、統計學與系統生物學，專精于生物資料的收集、分析與模擬;電機電子工程則是負責控制邏輯回路的設計。合成生物學具體研究內容主要包括幾個方面：
1)底盤生物(chassis)及其基因組的合成、簡化與重構，以作為各類生物元件、組件及系統的運行平臺，如T7噬菌體基因組的重構(Chan et al., 2005)、克雷格文特爾人造細胞Synthia(JCVI1.0)的構建等。
2)生物大分子(如核酸和蛋白質)的合成、改造與模塊化，如DNA合成技術的發展(Kosuri et al., 2010；Matzas et al., 2010)；人工創造遺傳物質，如類DNA化合物(XNA)的合成(Pinheiro et al., 2012)；非天然氨基酸的合成(Noren et al., 1990；Wang and Schultz 2002；Chin et al., 2003；Mehl et al., 2003；Wang et al., 2003)及相應新密碼子、tRNA的構建(Hohsaka et al., 2001；Hohsaka et al., 2001)，基于蛋白質工程的酶功能的優化、改造等。
3)合成及優化代謝網絡，如青蒿酸(Martin et al., 2003；Ro et al., 2006；Hale et al., 2007；Tsuruta et al., 2009)、紫杉醇(Ajikumar et al., 2010)及高級醇(Atsumi et al., 2008)的生物合成基因簇的優化及異源表達。
4)各類生物功能元件的標準化，以及基于標準化生物元件的基因線路的設計與多領域應用。
合成生物學的目標是透過創造或修改基因組的過程，了解生命運作的法則，并導入抽象化、標準化等工程概念，以進行系統化設計與開發相關應用。合成生物學改變了許多不同應用中采用的方法和技術，包括但不限于：
合成生物學有助于發現、分離獲得新的天然藥物，設計新的生物合成途徑，產生更多天然藥物及類似物；將合成生物學原理廣泛應用于腫瘤治療的免疫細胞的設計，產生多樣化的治療策略，最大可能做到高效、低毒、可控、通用等目標；開發快速、靈敏的診斷試劑和體外診斷系統，滿足早期篩查、臨床診斷、療效評價、治療預后、出生缺陷診斷的需求；促進疫苗升級換代，重點推動新型疫苗（包括治療性疫苗）的研發和產業化。
開發人工合成細菌，可將糖類直接轉化成與常規燃油兼容的生物燃油，甚至可以直接從太陽獲取能量，制造清潔燃料。
基于合成生物學理論和技術設計，合成的高活性和高穩定性新材料，具有重量輕、強度高、結構精細、性能特異、生產能耗少、成本低、速度快、環境危害小等特點，在工業生產領域中有廣泛應用。
自然界中存在很多具有特殊生物活性的物質資源，但同時伴隨著自然資源的稀少、成分含量稀缺的情況。利用合成生物學能夠借助于微生物完美再現自然狀態下獲取的天然活性物質，在保障其天然功效的同時滿足社會商業化應用的需求，真正實現長足的可持續發展。
運用合成生物學對人造生物體設計、構建的生物計算機和基于生物合成材料的新型量子計算機，其運算速度和存儲能力有望比現有計算機高出數億倍，在此基礎上研發智能計算機，可具備人腦的分析、判斷、聯想、記憶等功能，給經濟社會發展和人類生活帶來難以估量的顛覆性影響。
合成生物學是一門迅速成長的新興交叉學科，自2000年左右開始，相關的研究論文數量逐年上升。隨著相關技術的進步(如DNA合成及DNA測序技術的發展)，合成生物學的許多基礎研究工作(如底盤生物的基因組簡化與重構)、標準化生物元件庫的擴充、基因線路設計的創新等，都會在近幾年得到飛速發展。
在應用方面，隨著青蒿酸、紫杉醇的生物合成，微藻產油及高級醇合成基因簇的改造，砷離子生物傳感器的應用，合成生物學已經在生物醫藥、生物能源、環境治理等領域展現了巨大的潛力，并且在生物計算、微生物成像等許多方面展現了極具創意的應用，對其他學科的發展有著不可忽視的影響。21世紀是生物學的世紀，而合成生物學將是未來生物學發展的重要分支，必將對人類生活產生重大影響。
【1】Martin V J J, Pitera D J, Withers ST, et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for productionof terpenoids[J]. Nature biotechnology, 2003, 21(7): 796-802.【2】Meng, F., Ellis, T. The second decade of synthetic biology: 2010–2020. Nat Commun 11, 5174 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19092-2
【3】Jacobsen JH, Frigaard NU. Engineering of photosynthetic mannitol biosynthesis from CO2 in a cyanobacterium. Metab Eng. 2014 Jan;21:60-70. doi: 10.1016/j.ymben.2013.11.004. Epub 2013 Nov 19. PMID: 24269997.
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