组合生物合成是通过基因模块重组改造微生物代谢途径，实现非天然化合物定向合成的生物技术方法。该技术利用聚酮合酶等模块化酶系的遗传可塑性，通过结构域交换、亚基重排或跨物种基因重组构建新型生物合成途径。在药物开发领域，该技术已成功应用于柔红霉素类似物、小分子肽类药物及β 胡萝卜素等化合物的定向改良，显著扩展了天然产物结构多样性。研究显示，通过调控聚酮链立体化学、优化后修饰酶功能等策略，组合生物合成可批量制备具有抗癌、抗菌活性的新型化合物。

组合生物合成的核心在于对天然生物合成途径的遗传重构。通过基因编辑技术对聚酮合酶（PKS）、非核糖体肽合成酶（NRPS）等模块化酶系进行结构域替换或途径重组，可定向改变代谢产物的骨架结构。例如在聚酮化合物合成中，I型PKS的烯酰还原酶结构域定向替换可改变产物的立体化学特性，而非还原型PKS的产物模板结构域改造调控了芳香环的折叠模式。

微生物异源表达系统的构建是该技术的关键环节。研究团队通过质粒构建、2A多基因表达体系等技术，在酿酒酵母中成功整合欧文氏菌与三孢布拉氏霉的类胡萝卜素合成基因，实现了β-胡萝卜素产量的24.5倍提升。这种跨物种基因重组策略突破了宿主天然代谢途径的限制。

在抗癌药物研发中，中美科学家通过重组苯二酚内酯与嗜氮酮的合成模块，一步合成了活性增强的新型聚酮化合物。该方法通过聚酮合酶亚基随机组合策略，构建了包含184种非天然化合物的候选库。典型案例如：

中国农业科学院团队在酵母异源系统中重构根赤壳霉素合成途径时，通过硫酯酶结构域改造实现了产物环化模式调控，验证了程序化合成机制的可行性。

发酵工艺优化是工程化实施的重要环节。研究表明，1%葡萄糖+2%半乳糖的碳源配比结合异烟肼添加，可使β 胡萝卜素单位菌体产量提升4.57倍。在聚酮化合物生产中，效应物添加可调控聚酮链延伸的立体选择性。

2014年中美合作研究首次实现了苯二酚内酯类化合物的模块化一步合成，相关成果发表于《美国科学院报》。2025年最新研究显示，双聚酮合酶协同作用策略可批量合成结构复杂的手性化合物，解决了化学合成中立体异构体分离的技术瓶颈。

真菌聚酮合酶机制解析取得突破性进展。中国农科院团队揭示了非还原型PKS产物模板结构域控制芳香环折叠的分子机制，该发现为理性设计大环内酯类化合物奠定了理论基础。在合成路径重构方面，研究者通过互换聚酮合酶结构域，成功将毛色二孢霉素合成途径转移至酿酒酵母。