工欲善其事，必先利其器。
合成生物学是生物学与工程学的交叉学科，内容包括设计和构建新型的生物分子，生物系统，生物机器或者重新设计已有的生物系统。
简单来讲，就是人工合成“新物种”。
目前主要有两种策略，第一种是“自下而上”的策略，即通过生物学零件的逐级组装创造新的生物系统，目标是创造满足人类需求的人造生命体；第二种是“自上而下”的策略，即通过代谢以及遗传工程赋予已有生命体新型的生物功能和特性来达到改良生命体的目的。人工的生命系统或者改造后的生命系统与天然存在的系统相比应具有遗传背景清晰，可预测性增强，以及类似电子科学中的标准化模块结构便于即插即用等特性。
随着各种高效的基因组编辑工具的开发，大规模改造基因组，甚至从头合成基因组都逐步变为现实，也为合成生物学带来了新的契机。而这一切都离不开规模化地对基因组修饰，如定向突变，删除，引入新的基因，甚至合成基因组编辑技术。现在基因组的编辑工具主要包括整合，重组酶，锌指酶，TALEN,反转座子，同源重组，CRISPR/Cas9，从头合成（酵母体内拼接基因片段）等。这些技术相辅相成，最终构建有益于人类的各种地盘细胞与工程菌株。
随着测序技术的发展，大量的基因组序列被获取，为人们提供了丰富的参考信息，在逐渐理解进化以及生命体的代谢过程的同时，人们可以尝试着理性的设计自己想要的生命体。
只有一条染色体的酵母细胞你见过吗？
近年来随着计算生物学以及系统生物学的发展，理性的设计遗传元器件，回路，生命系统也取得了一些进展，设计与实验两者相辅相成，对合成生物学的发展起到关键作用。
酿酒酵母大家都不陌生，我们日常做啤酒做面包都离不开它，它本来有16条染色体，可你见过只有一条染色体的酵母细胞吗？这些都依赖于理性的设计与精湛的合成生物学使能技术（基因编辑工具CRISPR-Cas9）完成的。
CRISPR/Cas9(ClusteredRegLarlyInterspacedShortPalindromicRepeat)系统来自细菌对外界入侵的噬菌体病毒以及质粒的防御剪切，它的识别与剪切效率要显著高于TALEN以及锌指酶，同时由于是RNA-guided，所以操作起来更加方便可行。更为有趣的是持续表达的Cas蛋白，可以对目标区域进行持续地切割，这可以被用作一种负筛选，由此可以省去选择标记的使用。
酵母细胞具有很强的同源重组功能，也正利用这一点，16条染色体可以通过同源重组介导的CRISPR/Cas9技术，消除多余的15个端粒，最终融合为只有一个端粒的染色体。
图片来源（ShaoYY,etal.）构建“单条染色体酵母”对人类有什么意义？
生物学教科书中将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物，真核生物通常含有多条线型结构的染色体，而原核生物通常含有一条环型结构的染色体。而单条染色体真核细胞的“诞生”，突破了人们对于真核生物和原核生物界限的传统认知。
细胞衰老是生物在生命过程中整个机体形态、结构和功能逐渐衰退的综合现象。生物的机体由细胞构成，生命的衰老起始于细胞的老化。而细胞的老化又与端粒有着密不可分的关系。
端粒是真核细胞线性染色体末端非编码的DNA重复序列和与之相连的端粒结合蛋白的功能性复合体。端粒的主要作用保护染色体末端免于融合和退化，在染色体定位、复制、保护和控制细胞生长及寿命方面具有重要作用，并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。当细胞分裂一次，每条染色体的端粒就会逐次变短一些。
人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关，端粒的缩短还与许多疾病相关。由于酿酒酵母三分之一基因与人类基因同源，单染色体酵母细胞为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型，并且对于人类疾病如唐氏三体综合征的防治具有重要意义。
Dr.G评论：
构建“新物种”并非人们想象的那样简单，它们含有更多的多能酶系、其代谢的复杂性、适应性以及应对外界信号的表达调控与更为复杂的微生物是相似的。换言之，一个功能的实现在复杂的微生物中所需要的基因数目要大于在基因组较小的微生物中所需要的。由于酵母细胞的代谢以及基因网络的复杂性，人们当前对生命体认识的有限性，想要单纯地对基因组进行理性设计是不够的，建立疾病模型，只有结合大规模的实验测试反馈数据，相互补充，才能加深人们对生命的认识，更好地服务人类疾病。
当然，除此之外，CRISPR/Cas9技术同样也存在非特异性剪切以及毒性问题，如何提高其特异性也是需要解决的方向。
参考文献：
AtsushiN,AtsushiY,HidehiroT,etal..The-kilobasegenomeofthebacterialendosymbiontCarsonella.Science[J],:-.
BabaT,AraT,HasegawaM,etal..ConstructionofEscherichiacoliK-12in-frame,singlegeneknockoutmutants:theKeiocollection.MolSystBiol[J],2:0008.
GibsonDG,YoungL,ChuangRY,etal.b.EnzymaticassemblyofDNAmoleculesuptoseveralhundredkilobases.NatMethods[J],6:-.
GietzRD,SchiestlRH.High-efficiencyyeasttransformationusingtheLiAc/SScarrierDNA/PEGmethod.NatureProtocols[J],2:31-34.
NarayanaA,HM,MitchellLA,etal..Totalsynthesisofafunctionaldesignereukaryoticchromosome.Science[J],:55-58.
NoskovVN,KarasBJ,YoungL,etal..Assemblyoflarge,highG+CbacterialDNAfragmentsinyeast.ACSsyntheticbiology[J],1:-.
ShaoYY,etal..Creatingafunctionalsingle-chromosomeyeast.ArticleinNature()·AugustwithReads.DOI:10./s---x