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合成生物学通过对生命系统的重新设计和改造，推动生物技术实现了新的飞跃。基于染色体及基因组工程、元件工程、合成细胞工程、生物大数据技术等工程生物学技术，将原有的生物技术提升到工程化、系统化和标准化的高度，极大地提升生物技术的水平，为构筑未来工程生物学奠定基础。
就合成生物学的发展而言，从基因组合成、基因调控网络与信号转导路径到细胞的人工设计与合成，完成了单基因操作难以实现的任务。随着生物计算模拟、低成本DNA 合成、标准化生物元器件构建、基因组编辑等核心技术的不断突破，设计合成可预测、可再造和可调控的人工生命体系成为可能。另外，高通量筛选和自动化技术的应用，使生物元件与通路的合成、功能测试等实现自动化，将显著增强“合成”与“测试”的能力。同时，合成生物学与信息技术、材料技术、纳米技术等融合发展，还将催生一系列新的前沿技术和方向，例如合成生物电子学、合成生物半导体、合成生物计算机及信息存储、合成生物传感、合成生物材料、合成生物器官芯片、合成生物诊疗等。
合成生物学的里程碑成果体现在合成能力的飞速发展、核心技术的不断升级和创新应用成果凸显这三方面。
人工基因组合成是指在工程学思想的指导下，借助计算机工具设计具有特定功能的人工基因组，并利用 DNA 从头合成和模块化组装技术构建人工设计基因组，使其实现预期功能。2002年，纽约州立大学石溪分校的Eckard Wimmer通过化学合成病毒基因组获得了具有感染性的脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上首个人工合成的生命体；2008年，美国Craig Venter研究所合成了5.8×10 5 个碱基对的生殖道支原体全基因组，首次实现了人工合成微生物基因组；2010年，美国Craig Venter研究所宣布了首个“人工合成基因组细胞（JCVI-syn1.0）”的诞生，其设计、合成和组装了1.08Mb的支原体基因组，并将其移植到山羊支原体受体细胞中，产生了仅由合成染色体控制的支原体细胞，这标志着人工合成基因组实现了对生命活动的调控。这项工作在科学界引起了巨大反响，使“合成生物学”进入了大众的视野。2012年，美国约翰·霍普金斯大学开始着手酵母染色体人工版本（Synthetic Yeast Genome Project，Sc2.0）的合成，这是首次挑战真核细胞基因组的合成，该项目由美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作。Sc2.0旨在设计和完全化学合成16条染色体，这些染色体包含来自啤酒酵母的1250万个碱基和一个带有所有 tRNA 基因的“新染色体”，删除了转座子、内含子等非必需遗传元件，人工酵母基因组序列精简了6%。该项目不仅为真核染色体的系统研究提供了一个平台，还通过其“从构建到理解”的过程扩展了生物学知识的范围。目前，人工合成基因组生物已涵盖了病毒、原核生物和真核生物，预定特性的人造细胞已悄然实现，这是生命体系从自然发生到人工产生的一个转折点。
近年来，人工基因组合成不断取得突破性技术进展。最小基因组的合成不但增进了人类对细胞行为和机制的理解，也为科学研究和生物制造产业提供了优质的底盘细胞；密码子扩展和非天然氨基酸技术的应用实现了全新生命体的创建，拓展了人工基因组合成新策略和形式。2011年，利用多重自动基因组工程在32个大肠杆菌菌株中完成了同义终止密码子替换，实现了对大肠杆菌基因组314 个TAG到TAA终止密码子的转换。2014年，美国科研人员设计合成了一个非天然碱基配对, 并将它们整合到大肠杆菌基因组，首次扩展了生命遗传密码，使未来的生命形式有无限可能。2016年，美国Craig Venter研究所合成了最小支原体基因组JCVI-syn 3.0，精简了大量非必需基因和半必需基因，使其仅含有473个基因，基因组大小为531000个碱基对，这种细菌具有已知生物体中规模最小的基因组。2018年，我国研究人员将单细胞真核生物酿酒酵母的16条天然染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体，构建出世界首例人造单染色体真核细胞，为利用极简生命形式理解染色体进化、研究生命本质开辟了新方向；2019年，美国研究人员将4种合成核苷酸与4种天然核苷酸组合，构建出由8种核苷酸组成的DNA，这些DNA分子的形状和行为都具有一定的可行性，可以转录为RNA，极大地扩展了核酸储存的信息密度等；同年，精简了丝氨酸密码子TCG、TCA和终止密码子TAG，完成了大肠杆菌基因组1.8万个密码子的转换，构建了仅有61个密码子的大肠杆菌基因组。
在生物元件和基因线路的设计构建方面，自2000年人工合成首个生物开关和压缩振荡子后，多种优质调控元件和更复杂的基因回路等相继出现。随着国际基因工程机器大赛举办以及合成生物学定义在国际范围内得到广泛认可，许多令人惊叹的科研成果横空出世，元件和线路设计的里程碑式研究不断出现，揭示了生物系统“有序性”的形成原理，为合成生物学家从头设计复杂生命体系提供了重要理论指导。例如，基于共转录tRNA构建出翻译层面的AND逻辑门；群感系统被进一步改造用于实现多细胞模式；感应线路的开发可以在细胞内将光输入转化为基因表达。设计全新蛋白质及其功能方向也不断有新进展。尤其是基于新一代人工智能系统精确预测蛋白质的三维结构，其准确性已接近冷冻电子显微镜、X射线晶体学等实验技术，为全新蛋白质的设计奠定了基础。
遗传物质的编辑、合成和组装技术是合成生物学的基础，因此基因编辑技术的发展能够极大推进合成生物学的广泛应用，同时合成生物学可以促进现有的基因组编辑工具的优化。从 2012 年起，科学家利用 CRISPR/Cas9系统的可编程和精准切割等特点陆续开发了一系列基因组编辑的工具，其宿主目前已经覆盖了从细菌到高等生物的范围，在复杂基因线路设计、微生物基因组编辑等合成生物学领域取得了突破性进展。例如，Wu等人在大肠杆菌中应用CRISPRi系统对糖酵解途径、TCA 循环、脂肪酸合成途径进行调控，实现了类黄酮的增产；利用合成生物学技术和CRISPR基因编辑技术，开发了高适应性、高敏感度的CRISPR分子诊断方法，针对多类病原的CRISPR分子诊断方法已进入临床研发阶段。
合成生物学底盘细胞的改造与构建，是实现“造物致知”和“造物致用”目标的重要手段，也将为构建细胞工厂提供优良的底盘。英国布里斯托大学的研究人员采用自下而上的策略设计了一种新型人造合成细胞，他们将大肠杆菌和铜绿假单胞菌两种细菌菌落与微滴混合在黏稠的液体中，打破细菌膜，使细菌溢出其内容物——这些内容物被液滴捕获以产生膜包被的原始细胞。研究人员已证实，这些细胞能够进行复杂的处理，例如通过糖酵解产生能量储存分子腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），以及基因的转录和翻译。这是首次利用原核细胞构建类真核细胞体系，对合成生物学具有很大的帮助。丹麦科技大学和加州大学伯克利分校的研究团队通过56次基因编辑对酵母细胞进行基因工程改造（涉及 30 个合成步骤），以生物合成抗癌药物长春碱和长春新碱，这是目前为止利用微生物作为细胞工厂进行生物合成的最长合成线路，未来可以作为一种生产平台生产更多的生物分子。
近年来，全球面临日趋严峻的能源资源短缺、生态环境恶化、粮食安全、疾病危害等挑战，高质量、高效率、可持续和主动健康成为生物产业发展和变革的主要方向，也是合成生物学的重要使命。设计功能强大、性能优越的人工生物系统，可实现燃料、材料及各类高值化学品的产业转型升级和绿色发展；重塑构建植物的信号或代谢通路，可实现高效光合、固氮和抗逆，破解农业发展的资源环境瓶颈约束；创建人工细胞工厂，可实现稀缺天然产物、药物的高效合成，推进医药健康产业的高质量发展；设计构建疾病发生发展的人工干预途径，可实现基因治疗、干细胞治疗、免疫治疗等生物治疗领域的新突破；人工合成微生物及群落，可大幅提升环境污染监测、修复和治理能力，助力健康环境和生态文明建设。
在生物制药领域，合成生物学通过设计和构建人工细胞工厂，为复杂天然产物的绿色高效合成提供了新的思路，在氨基糖苷类抗生素、核苷类抗生素、核糖体肽、萜类以及聚酮类化合物等天然药物生物合成方面已经取得了诸多应用成果。通过设计和构建人工细胞工厂，Paddon等人在酵母菌中成功生产出青蒿素前体，将其产量从100mg/L提升到25g/L，成为合成生物学成果产业化的里程碑事件。斯坦福大学的研究人员在酵母菌中实现完全合成阿片类药物，他们将植物、细菌和啮齿动物基因混合导入酵母菌中，用改造过的酵母菌成功地将糖转化为蒂巴因——吗啡等止痛药物的前体。Wang等人在代谢水平上清晰阐明链霉菌初级代谢到次级代谢的代谢转换机制并进行工程应用，为实现聚酮类药物乃至其他次级代谢生物活性产物高效、绿色的生物制造开辟了新思路。近年来，我国研究人员利用合成生物学技术改造的高产药物菌株开始投入工业化生产，实现了纳他霉素、玫瑰孢链霉菌达托霉素、他克莫司等药物的生物合成。
在健康医疗领域 ， 合成生物学可以利用细胞装备生物传感器检测疾病靶标，并通过响应环境刺激来调控效应分子，激活下游信号通路，其以工程化细胞为基础的新型治疗方法为传统医学难以解决的问题提供了新思路和新手段。2017年，FDA批准了第一个CAR-T细胞治疗药物；Krawczyk等人利用合成生物学方法工程化改造人胰岛β细胞，并利用定制的生物微电子设备实现对胰岛素合成和释放的精准调控，这是继光、磁、无线电波、超声等基因调控系统之后，又一项极具应用前景的远程调控细胞功能的技术；Nissim等人构建了可响应细菌密度、氧含量和葡萄糖浓度等多种调控信号的生物传感器，能够实现响应肿瘤微环境驱动抗癌基因表达并释放抗癌分子。此外，我国研究人员将含有组织型纤溶酶原激活剂信号肽基因的全长S基因克隆到工程化复制缺陷型人5型腺病毒中，构建出了有效的人体腺病毒载体新冠疫苗，还开发出了融合佐剂效应的人工设计纳米颗粒疫苗，能够有效增强体液免疫和细胞免疫效果。
在化学品合成领域，合成生物学研究已应用于第二代生物乙醇、生物柴油等生物燃料产品的研发。研究人员以工程化微生物作为底盘细胞，实现了乙醇、1,4-丁二醇、聚羟基脂肪酸酯等燃料的高效率、低成本和多样化生产，开辟了微生物工程化炼制能源新途径。例如，加州大学的研究人员通过改变大肠杆菌的氨基酸生物合成途径首次成功合成长链醇燃料——其具有更高的能量密度，有望成为理想的替代生物燃料。此外，人工改造的藻类可通过光合作用合成生物石油，具有打造规模化生物燃料工业生产“细胞工厂”的发展空间。根据麦肯锡统计，未来生物制造将覆盖约60%的化学品合成，合成生物学技术在能源、化工等领域具有改变世界工业格局的潜力。
在农业与食品领域，我国研究人员从头设计并构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成；Lin等人在水稻和小麦原生质体中利用引导编辑系统实现16个内源位点的精准编辑，为植物基因组功能解析及实现作物精准育种提供了重要技术支撑。细胞培养肉技术是近年来兴起的一种新型食品合成生物技术，其通过大规模培养动物细胞获得肌肉、脂肪等组织，再经食品化加工生产得到肉类食品。研究人员通过构建正反馈基因线路设计等合成生物学技术改造和优化了巴斯德毕赤酵母，可生成大豆血红蛋白，然后将其添加到人造肉饼中以模拟肉的口感和风味；已有研究人员通过基因工程和细胞工程等技术手段高效表达天然奶中的各种乳蛋白组分，陆续剔除乳糖、胆固醇、抗生素和致敏原等不良因子，获得了人造乳制品。2022年，耶路撒冷希伯来大学证明了几个鸡品种的成纤维细胞自发永生化和遗传稳定性，估计生产成本为每磅
1.8～4.5美元，是一种具有成本效益的细胞培养鸡肉生产方法。
在生物计算领域，2012年和2013年， Nature 和 Science 分别刊登了哈佛医学院George Church等人和欧洲生物信息研究所Goldman等人在DNA数据存储领域的研究成果，这两项研究的成功有赖于DNA合成和测序技术的巨大进步，使得合成与读取数以万计的DNA分子成为可能。在此之后，DNA数据存储领域的新进展如雨后春笋般涌现。例如，天津大学合成生物学科研团队创新DNA存储算法，通过将 DNA合成技术与纠错编码结合，将10幅敦煌壁画存入DNA，并证实壁画信息在实验室常温下可保存千年，证实了DNA分子已成为世界上最可靠的数据存储介质之一。美国华盛顿大学开发了用于体内分子记录的“DNA打字机”，记录和解码了数千个符号、复杂事件历史和短文本消息，结合单细胞测序重建3257个细胞的单系谱系，展示了一个能在活真核细胞内运行的人工数字系统。生物分子计算伴随着合成生物学的兴起而不断发展，DNA等纳米材料不仅可用于逻辑运算，还可以构造神经网络，并从训练数据中进行学习，为在分子层面实现神经拟态计算提供了可能。以碳基生物合成材料作为计算机存储与运算介质，有望制造运算速度和存储能力大幅度增强的新型分子计算机，具备分析、判断、联想、记忆等功能，给经济社会发展和人类生活带来难以估量的颠覆性影响。