新材料的发展是人类文明进步的标志

人类发展的不同时期，包括从石器到青铜再到铁器时代、从蒸汽到电气再到信息时代，都是以材料的变革进行划分。近代材料发展的一个重要突破在于塑料的发明制造，然而无孔不入的塑料产品带来生活便捷的同时也给生态环境造成了巨大的负担。

为减轻生态压力，发展低碳环保的可持续性替代品成为当今材料发展的趋势。自然界中的一些生物质(如木材、 蚕丝、棉花等)拥有诸多优越特性，如高机械强度、可编程性、多功能性、多层级结构以及自生长、自修复等动态特征，因此直接利用这些天然生物组分加工成的产品在当前的可持续材料中占主要地位。但是，很多生物功能组分在自然界中产量有限(例如从10000只加州蓝贻贝中仅能收获1克黏性足丝蛋白)，此外材料的提纯过程成本高昂且不可持续，因此利用基因工程技术设计微生物异源发酵逐渐成为这类生物功能组分的主流生产方式。

细胞是合成自然生物分子的机器。数十亿年的 自然选择和进化使得细胞拥有环境响应、特定分子 合成以及环境适应等能力。在细胞的物质生产过程中，环境中的信号(如化合物小分子、机械力、光等) 被细胞内感受器所捕获，经过细胞内感知线路的信息处理(信号放大、信息存储或信号转导等)，有效地将外部信息流与胞内的代谢遗传联系在一起。

根据细胞信号处理的结果，细胞可相应地表达蛋白酶来合成、分泌、修饰或降解特定的生物组分(如 蛋白质、多糖、脂类等)(下图)。

合成生物学是一门运用基因操作工具编程和改造生命行为和功能 以及再造新生命形式的工程学科。合成生物学的发展为新材料的发现、设计和生产带来了新的机遇，如通过合成生物技术改造生命体可以赋予合成材料定制化的功能和特性。

生命系统的参与赋予了活体材料一些有趣的特性，如环境响应、自修复、自我再生等动态特征。此外， 生命系统的可编程性使得人们能够通过设计复杂逻 辑线路来精确调控材料属性。材料合成生物学的探索可分为三类：

(1) 设计改造底盘细胞实现天然生物组分的高效异源表达；

(2) 通过“自下而上”的 方式理性整合不同材料模块，实现功能可调的仿生 功能材料设计；

(3) 借助基因线路调控底盘细胞原 位合成特定功能组分，开发具有生命特征的“活” 材料。