合成生物学是新的生命科学前沿，以工程化设计理念对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，是从理解生命规律到设计生命体系的关键技术。合成生物学成功的产业化案例是2013年美国Amyris和法国Sanofi利用合成生物学技术联合开发出能高效合成青蒿酸的酿酒酵母细胞工厂，并在此基础上通过化学合成的方法将青蒿酸转化为青蒿素，实现商业化生产。100平方米车间相当于近5万亩（3333.3公顷）种植产量，从而建立了青蒿素从植物提取到生物合成的颠覆性生产性路线。合成生物学技术在生物医药领域的成功应用促使全球合成生物学研究蓬勃兴起，世界各国迅速推进该领域发展。合成生物技术的研究和产业化应用正在重塑世界。然而，目前合成生物学研究主要集中在医药和化学品生产领域，食品领域合成生物学的基础和应用研究起步相对较晚，发展相对薄弱。率先推进食品合成生物学的技术研究并且实现食品合成生物学技术的产业化，将抢占世界的科技前沿和产业高地。

食品合成生物学是在传统食品制造技术基础上，采用合成生物学技术，特别是食品微生物基因组设计与组装、食品组分合成途径设计与构建等，创建具有食品工业应用能力的人工细胞，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品，来解决食品原料和生产方式过程中存在的不可持续的问题，实现更安全、更营养、更健康和可持续的食品获取方式。

食品合成生物学既是解决现有食品安全与营养问题的重要技术，也是面对未来食品可持续供给挑战的主要方法，能够解决传统食品技术难以解决的问题，主要包括以下4个方面：变革食品生产方式；开发更多新的食品资源；提高食品的营养并增加新的功能；重构、人工组装与调控食品微生物群落。食品合成生物技术主要研究领域包括食品细胞工厂设计与构建、食品生物合成优化与控制和重组食品制造与评价。

食品合成生物学发展需要经历以下三个阶段：第一阶段是通过最优合成途径及食品分子修饰，实现重要食品功能组分的有效、定向合成和修饰，为“人造功能产品”细胞的合成做准备。第二阶段是建立高通量高灵敏筛选方法，筛选高效的底盘细胞工厂，实现重要食品功能组分的高效生物制造；初步合成具有特殊功能的“人造功能产品”细胞。第三阶段是实现AI辅助的全自动生物合成的设计及实施；通过精确靶向调控，大幅度提高重要食品功能产品在异源底盘和原底盘细胞中的合成效率，最终实现全细胞利用。

人造食品的总体技术路线是构建细胞工厂种子，以车间生产方式合成奶、肉、糖、油、蛋等，具有营养与经济竞争力，实施颠覆性技术路线，缓解农业压力，满足日益增长的需求。相比于传统食品制造，基于细胞工厂种子的人造食品制造能够将土地使用效率提高1000倍，每吨粮食可节约用水90%以上，并且生产过程不需使用农药化肥。主要人造食品包括“人造蛋”“人造肉”和“人造奶”。

目前，美国HamptonCreek公司将豌豆和多种豆类植物混合，研发“人造蛋”，产品营养价值和味道与真蛋相似。此类“植物蛋黄酱”已经在香港等地的超市销售。美国ClaraFoods科技公司通过酵母细胞工厂构建、发酵合成卵清蛋白，是利用生物合成技术创制动物蛋白的范例。

“人造肉”技术被《麻省理工学院技术评论》评为2018年全球十大突破技术之一，利用“人造肉”替代传统畜牧业具有重大的生态意义，是全球人造食品研究的热点。传统养殖业排放的温室气体占到全球温室气体排放量的14.5%，是所有交通工具燃油排放的总和。利用“人造肉”替代或部分替代传统畜牧业，能够显著降低全球温室气体排放。同时区别于传统素肉，“人造肉”与肉类具有更高的相似度，因而也具有更高的商业潜力。

“人造肉”主要包括“植物蛋白肉”和“细胞培养肉”两大类。实现人造肉产业化生产急需攻克的关键技术环节包括：如何通过植物蛋白提取纯化和全能干细胞分化控制实现植物蛋白、成肌干细胞的高效获取？如何通过大型生物反应器设计和细胞培养人工智能控制获得规模化生物反应器用于人造肉制备？如何实现血红素等风味物质高效制备和维生素等营养物质的高效合成，实现人造肉制品食品化？如何利用植物蛋白纹理结构重组和食品3D打印技术实现人造肉制品结构重塑？

关于“人造奶”的开发和应用，美国PerfectDay公司分析牛奶中20种对人体有益及重要的原料，以合成生物技术组装酵母细胞，实现发酵合成6种蛋白与8种脂肪酸。在分离纯化后再加入钙、钾等矿物质及乳化剂完成最后加工，口味和营养可与天然牛奶相同，并且不含胆固醇和乳糖。最近与美国食品业巨头ADM公司签署联合开发协议，计划2019年向食品工业供应人工牛奶。据测算，相比于传统牛奶生产方式，“人造奶”生产将减少98%的用水量，91%的土地需求，84%温室气体的排放，并节约65%的能源。