合成生物學在醫藥領域的應用與發展趨勢

合成生物學（Synthetic Biology）是一門將工程學原理應用於生物系統設計和改造的跨學科技術，擁有設計和構建全新生物系統的潛力。近年來，美國、英國、中國和韓國等國皆積極投入資源推動該領域的發展，旨在加速生物技術創新和產業應用。例如，韓國在2022年推出了「韓國合成生物學計畫」（National Synthetic Biology Initiative），並於2023年宣布投資1,200億韓元（約30億台幣）建設生物質合成代工廠（Biofoundry），以促進生物經濟的發展。預計到2030年，合成生物學產品將普及到人類生活的各個層面，且市場規模在2030至2040年間有望達到每年3.6兆美元。

關鍵技術應用於醫藥領域

合成生物學在醫藥應用中的技術涵蓋基因編輯、細胞控制和生物製造等多個層面，其核心技術包括CRISPR系統、基因電路（Gene Circuits）、框架基底生物體（Chassis Organism）等。此外，新興的全細胞生物感測器（Whole-cell Biosensors）和無細胞生物製造（Cell-free Biomanufacturing）也展現出重要的應用前景。

1. CRISPR基因編輯技術

CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）系統是合成生物學中最具代表性的基因編輯技術之一，涵蓋CRISPR-Cas9、CRISPRa（CRISPR activation）及CRISPRi（CRISPR interference）。CRISPR-Cas9以其高精確度和效率成為研究基因功能和進行基因修飾的標準工具。研究人員可以使用CRISPR技術刪除、插入或替換基因，模擬人類疾病模型以測試新藥的療效與副作用。例如，CRISPR技術可以幫助建立帶有基因突變的細胞，篩選出與藥物效應相關的重要基因，並促進新藥的開發。

2. 基因電路（Gene Circuits）

基因電路是一種用於控制細胞內基因表現和行為的技術，由一系列帶有特定功能的DNA片段構成，類似於電子電路中的元件組合。透過精密設計，基因電路可以幫助科學家即時監控細胞反應，並且能夠啟動或抑制特定基因的表現。在藥物開發過程中，基因電路可用於篩選符合預期的藥物，進一步加速藥物發現。除此之外，基因電路還可以用於偵測腫瘤微環境中的癌症標誌物，並促使細胞合成治療性蛋白，誘發免疫系統的攻擊反應，實現更精確的疾病治療。

3. 框架基底生物體（Chassis Organism）

框架基底生物體是經過基因工程設計和改造的微生物，如大腸桿菌、酵母菌等，常作為生物製造和研究的載體。這類生物體具備遺傳穩定性和可編程性（programmable），能夠精確控制其代謝途徑以生產治療性蛋白質或其他生物技術產品。框架基底生物體在生物製造中表現出高效率和可擴展性，並可用於個人化醫療，如設計微生物以將藥物精準遞送至患部，或者改造嗜菌體來識別和攻擊抗藥性細菌，應對日益嚴重的抗生素耐藥性問題。

4. 全細胞生物感測器（Whole-cell Biosensors）

全細胞生物感測器結合基因電路和框架基底生物體技術，將細胞改造成探測疾病生物標誌物或環境變化的感測裝置。這項技術應用於疾病的早期診斷與監測，並可提供即時而準確的診斷結果。感測器還可用於篩選出具有高療效且低毒性的藥物候選物，並在病理環境下釋放治療劑以控制疾病進程。隨著技術的進步，全細胞生物感測器已朝向可編程方向發展，提升其在多樣化使用情境下的應用潛力，支持個人化醫療。

5. 無細胞生物製造（Cell-free Biomanufacturing）

無細胞生物製造不依賴於活體細胞，而是利用細胞抽取物來快速合成所需的目標分子。這種技術避免了傳統細胞培養所面臨的增殖和維持等問題，顯著縮短了生產時間並提升反應的可控性。無細胞系統可精確調控反應條件如溫度、pH值和材料濃度，從而提高產物的產量和質量。此技術還減少了生產過程中的碳排放，實現永續生產，同時適用於按需生產，如針對罕見疾病的小批量藥物生產。

圖一、醫藥領域之關鍵合成生物學技術

創新案例解析

1.Beam Therapeutics是一家專注於開發基因編輯技術的公司，致力於推動DNA鹼基編輯、RNA編輯及引子編輯（Prime editing）等技術的發展。這些技術能夠避免DNA雙股斷裂情況下進行精確編輯，大幅降低編輯錯誤並提高安全性。Beam還開發了多種基因材料遞送方法，如電穿孔（Electroporation）和脂質奈米顆粒（Lipid Nanoparticles），以提升基因遞送的效率和安全性。

2.Strand Therapeutics則聚焦於開發可編程的mRNA基因電路，用於實現長時間的基因表現調控。這項技術能精準識別需治療的細胞並促使免疫系統反應，有助於提高治療效果。Strand已於2024年展開針對黑色素瘤和乳癌的臨床試驗，並計劃進一步應用於血癌的治療。

3.ArsenalBio利用合成生物學、AI和基因工程技術開發針對實體腫瘤的T細胞療法。其CITE技術（CRISPR Integration of Transgene via Electroporation）是一種非病毒基因遞送方法，能精準插入DNA於T細胞基因體中，減少突變風險並提升基因表現的穩定性。此可編程T細胞在檢測到特定抗原組合時才會啟動，避免對健康細胞的傷害。該公司目前針對卵巢癌和腎細胞癌開展臨床試驗，顯示出在個人化腫瘤治療領域的潛力。

結語

合成生物學技術正以驚人的速度推動醫藥領域的創新發展，從基因編輯到生物製造的應用拓展，為未來醫療帶來突破性變革。隨著技術不斷進步，合成生物學將在改善疾病治療、加速藥物開發和推進個人化醫療方面發揮日益重要的角色。這場技術革命有望重新定義醫療科技的未來，為全球醫療體系提供更多元且精準的解決方案。

資料來源

OUTLOOK 科技發展觀測平台