背景概述
系統生物科學與工程或生物系統科學與工程（systems bioscience & bioengineering或biosystem science & engineering），系統科學、計算機科學、納米科學與生命科學的交叉科學，主要包括：系統醫藥學、系統生物學、系統遺傳學與合成生物學等。
20世紀物理科學與生物科學的統一科學理論運動，導致了系統科學與計算機科學等發展，基於80-90年代探討系統理論、生物系統與人工進化提出的自組織系統或泛進化系統的結構理論，簡稱結構論（structurity）或泛進化論，中國曾（傑）邦哲1991-1995年發表“科學的結構與中國的未來”、“論系統生物工程範疇”和“醫藥科學從實證到綜合發展”，闡述實驗與系統方法二維度科學，系統科學、人工智慧與遺傳工程整合的太陽能、生物電子技術，以及中西文化交匯、中西醫學研究與醫療化學實驗、系統心理學的形成，稱21世紀是系統生命科學與系統生物工程時代。
生命科學的發展，大致是從種群與生態、器官與個體水平到細胞與分子水平，研究方法則是從觀察、實驗到系統理論。系統生物科學，開創於貝塔朗菲1950年發表的生物學與物理學中的一般系統論，以及艾根1979年創立的生物化學、分子細胞起源的超循環理論。1968年召開的系統論與生物學（systems theory and biology）國際會議，採用系統論（整合）方法研究生物學的體系，產生了系統生物學概念。1989年在美國召開的生物化學系統論與計算機模型研究的國際會議，探討了計算機方法的生物系統定量與數學模型研究，即目前的國際分子系統生物學會議。生物學與物理學的研究，誕生了系統生物學（systems biology, Zieglgansberger W, Tolle TR.1993）與分子系統生物學。系統論發展，最早建立的是系統心理學（50年代），然後是系統生態學（60年代, Van Dyne GM.1966）、系統生理學（70年代, Sagawa K.1973），以及系統生物醫學（system biomedicine, Kamada T.1992第4季度）與系統醫藥學（systems medicine & pharmacy, Zeng BJ.1992第4月份）。70-80年代是分子生物學的黃金時期，基因重組技術的誕生，合成生物學概念（80年代）提出，80-90年代轉基因研究迅速發展。系統遺傳學與生物工程，因轉基因動物與發育系統研究中的問題而於90年代（system bio-engineering, system genetics, Zeng BJ.1994）提出，系統生物工程簡述為系統、仿生與基因工程的整合。隨著細胞信號傳導與基因調控的研究，組學生物技術、生物計算軟體與微納米生物技術等發展，系統生物科學與工程發展到了細胞進化、細胞發育與細胞病理的信號傳導與基因調控的細胞、分子系統網路分析與工程設計的時期。
1996年第1屆國際轉基因動物學術研討會的通訊及會議講演，曾邦哲（秘書長）闡述了系統論與系統（結構）遺傳學、系統生物工程、輸卵管生物反應器，以及基因組進化與生物體發育的自組織系統理論，是最早討論系統遺傳學與系統生物工程的國際會議，並於1999年在德國建立系統生物科學與工程網（10月Nature、12月Kybernetes等），定義系統理論與實驗、計算、工程方法的生物系統分析與人工生物系統研究。
系統生物工程的套用，涉及醫療診斷、藥物篩選與生物製藥等產業，包括，轉基因生物反應器、分子與細胞生物計算機等。2007年英國皇家工程院士R.I.Kitney稱“系統生物學與合成生物學偶合，將產生第3次工業革命”。2008年，中國建立了系統生物工程研究所、教育部系統生物工程重點實驗室，歐美紛紛建立分子系統生物工程與系統生物工程等實驗室與研究機構。
發展簡史
系統生物學的概念在20世紀中葉已經提出，合成生物學的概念提出於基因重組技術的產生，進化理論、有機分子合成可以說是最早的探索。“系統生物學”(systems biology) 一詞，出現在 Zieglgansberger W 和 Tolle TR 於 1993 年發表的一篇神經系統疾病研究的論文摘要中，根據1968年國際系統理論與生物學 (systems theory and biology) 會議定義為採用系統論方法研究生物學。系統生物學，最初開創於貝塔郎菲的一般系統理論與理論生物學，1924-1928 年貝塔郎菲多次發表一般系統論的文章，闡述生物學中有機體概念，提出把有機體當作一個整體或系統來研究。第10屆國際分子系統生物學會議稱：貝塔郎菲為第一個系統生物學家，除了系統生物學的辭彙是新的，貝塔郎菲開創的系統生物學模型至今仍然很現代。
實驗方法與系統方法構成科學研究的基本方法。系統科學（包括控制論、資訊理論）根源於生命科學，發展了計算機科學而又套用於生物科學，將開發出生物計算機。維納與香農從動物與通訊行為的研究中提出控制論與資訊理論，整個系統科學根植於有機體哲學思維。自20世紀60年代，系統生態學、系統生理學，以及系統生物醫學、系統醫學、系統生物工程與系統遺傳學的概念先後發表，20世紀未細胞信號傳導與基因調控的研究與系統論方法的結合，進入了分子細胞層次的系統生物學研究與發展。
系統生物學的發展經歷了三個歷史時期：第一期，生態系統，系統生態學與行為、心理學，開始於 20 世紀60-70 年代；第二期，生理生化系統，系統生理學與神經、內分泌、免疫學，開始於20世紀70-80年代，艾根的超循環理論發展了細胞、生物化學與分子層次的系統論，1989 年在美國召開的生物化學系統論與生物數學國際會議探討了生物學的系統論與計算生物學模型研究；第三期，遺傳系統，系統遺傳學與胚胎、發育生物學，系統遺傳學的概念與辭彙於20 世紀90 年代中科院曾邦哲（曾傑）發表，並於1996年在北京主辦第1 屆國際轉基因動物學術研討會（秘書長）闡述了系統論與生物遺傳學、轉基因研究等，以及生物工程、輸卵管生物反應器、基因組進化與生物體發育自組織系統理論，遺傳學從染色體行為的細胞遺傳學、基因表達信息流的分子遺傳學，發展到了系統遺傳學的細胞發生信號傳導與基因調控網路研究，並重新於第19屆國際遺傳學大會闡述（包括指出C. Nuslein-Volhard、S. Brenner等是較早以systematic方法研究遺傳學的科學家）。2008 年美國加州舉辦了整合與系統遺傳學會議，2009 年荷蘭召開了系統遺傳學研討會。
1999 年初於德國建立系統生物科學與工程網（英文）及籌備聯合協會、國際會議等 (1999 年10 月Nature 和12 月Kybernetes)，曾邦哲（ZengBJ）定義生物系統理論與實驗、計算 (computational)、工程方法的生物系統分析與人工生物系統研究，並闡述其自組織系統結構理論基礎，表述生物系統結構論（structurity theory）的結構整合 (integrative)、調適穩態（stability）與層級建構(constructive) 等綜合（synthetic）系統理論規律，1999-2000年將籌備通知傳送到系統科學、計算機科學、納米科學、生物醫學、生物工程等廣泛領域的國際科學家（包括邀請C. Nuslein-Volhard、Tomita等著名科學家），倡導分子生物技術和計算機科學結合研究生物系統。細胞是由大規模生物分子（納米）構成的複雜生物系統，基因組是可以重編程式的智慧型系統，生命系統人工設計與改造，可以開發出細胞生物機器。
2000 年同期，日本Kitnano 和Tomita 舉辦國際系統生物學會議，美國Hood 創立了第一個系統生物學研究所，美國 Kool 重新提出合成生物學的概念 - 基於系統生物學的基因工程。2001年WolkenhauerO.6月（9月出版）、Ideker T & Hood L9月和Kitano H.10月（MIT出版2000年會議論文集）等發表文章論述系統生物學的系統論、組學和計算方法等，2002年日本北野宏明（Kitano H.）、2003年美國胡德（Hood L.）也論述了系統生物學是實驗與計算方法整合的生物系統研究，2008年Nature文章則論述了系統生物學與合成生物學的結構理論。2005年Ideker贊同是如同Kitnano的分子水平的系統生物學概念，2007年Kinano闡釋系統生物學是在分子生物學層次的重新提出。
系統生物學 (systems biology)是生命科學研究領域的一門組學、計算和轉基因系統生物技術等成熟的迅速發展學科。計算生物技術、組學 (omics) 生物技術與合成生物技術，構成系統生物學發展的技術基礎 - 系統生物技術 (systems biotechnology)，現代系統生物學是生物系統的理論與技術整合的研究體系。21 世紀伊始，權威刊物 Nature、Science 發表系統生物學、合成生物學等專刊，終於進入了系統生物科學全球化時代。2007年、2008年Kitano（北野宏明）、Hood（胡徳）解釋系統生物學始自20世紀早期，21世紀現代系統生物學是在分子生物學、生物信息技術等層次的重新提出和發展。
理論基礎
依據自組織系統結構理論 - 泛進化論（structurity, structure theory, pan-evolution theory），從實證到綜合（synthetic ）探討天然與人工進化的生物系統理論，闡述了結構整合（integrative)、調適穩態與建構（constructive）層級等規律；因此，系統（systems）生物學也稱為“整合（integrative biology）生物學”，合成（synthetic）生物學又叫“建構生物學（constructive biology）”（Zeng BJ.中譯）。系統與合成生物學的系統結構、發生動力與磚塊建構、工程設計等基於結構理論原理，從電腦技術的系統科學理論到遺傳工程的系統科學方法，是將物理科學、工程技術原理與方法貫徹到細胞、遺傳機器與細胞通訊技術等納米層次的生物分子系統分析與設計。1997年曾邦哲（Zeng BJ.）設計與操作的一個典型的系統生物學非加和性抗藥細胞實驗：CHO細胞用化學誘變劑甲磺酸乙脂處理一次篩選到抗10uM和20uM洛伐他汀的細胞系，再用甲磺酸乙脂處理一次抗10uM洛伐他汀的突變細胞系篩選到高到可抗70uM洛伐他汀的細胞系[3]，70uM遠大於2X20uM=40uM，說明基因與基因的相互作用是非加和性的，也就是系統遺傳學的經典實驗。
合成生物學（synthetic biology），即綜合集成，“synthetic”在不同地方翻譯成不同中文，“社會-心理-生物醫學模式”的綜合（synthetic）醫學（中科院曾邦哲1999年建於德國，探討生物系統分析學“biosystem analysis”與人工生物系統“artificial biosystem”研究與套用），歸屬為人工生物系統研究的系統生物工程技術範疇，包括生物反應器與生物計算機開發。“21世紀是系統生物科學與工程 - 也就是生物系統分析學與人工生物系統的時代，將帶來未來的科技與產業革命”。系統科學方法與原理源自坎農的生理學穩態機理和圖靈的計算機模型及圖式發生的研究，又套用於生物科學與工程，“圖式”也包括了“系統（scheme或system）”與“完形（gestalt或configuration）”等含意。
工程套用
“系統生物學”則可追蹤到貝塔朗菲的“有機生物學”及定義“有機”為“整體或系統”概念，以及闡述採用開放系統論、數學模型與計算機方法研究生物學。“合成生物學”更早可追蹤到波蘭科學家Waclaw Szybalski採用“合成生物學”術語，以及目睹分子生物學進展、限制性內切酶發現等可能導致合成生物體的預測。
早在1974年，波蘭遺傳學家斯吉巴爾斯基（Waclaw Szybalski），就已經預言了生物學可能的未來：一直以來我們都在做分子生物學描述性的那一面，但當我們進入合成生物學的階段，真正的挑戰才要開始。我們會設計新的調控元素，並將新的分子加入已存在的基因體（genome）內，甚至建構一個全新的基因體。這將是一個擁有無限潛力的領域，幾乎沒有任何事能限制我們去做一個更好的控制迴路。最終，將會有合成的有機生命體出現。合成生物學可能源自於發現能“剪接”DNA的酵素之時。1978年，諾貝爾生醫獎頒給發現DNA 限制酶的納森斯（Daniel Nathans）、亞伯（Werner Arber）與史密斯（Hamilton Smith），當時斯吉巴爾斯基在《基因》期刊中寫了一段評論：限制酶將帶領我們進入合成生物學的新時代。利用限制剪接DNA的方式，分子生物學家得以分析各個基因的功能，並將觀察的結果記錄下來，成為各個基因的功能性描述。可預見的未來是，新的合成或複合生命體可能由此誕生。
合成生物學（synthetic biology），Hobom B.於1980年提出表述基因重組技術，隨著分子系統生物學的發展，2000年E. Kool重新提出來定義為基於系統生物學的遺傳工程，從基因片段、人工鹼基DNA分子、基因調控網路與信號傳導路逕到細胞的人工設計與合成，類似於現代集成型建築工程，將工程學原理與方法套用於遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成系統生物技術的方法基礎。隨著計算機、生物信息、基因合成與基因測序等技術的進展，使計算機輔助設計、全基因乃至基因組人工合成成為可能，使生物工程產業化的技術瓶頸可能突破，使生物產業能夠進入工程化與設計化的產業發展，導致了有如“系統科學與自動通訊技術”之間的理論研究與技術轉化互動，系統科學與生物技術、系統生物學與合成生物學之間的密切互動，也將導致系統生物技術的基礎研究向套用開發的轉化（轉化科學、轉化生物學）距離迅速縮短。
學科年表
20 世紀中貝塔朗菲 (L. Von. Bertalanffy) 創立了一般系統論和理論生物學，並闡述了抗體系統論和系統、整體方法和計算機方法數學建模的方法研究生物開放系統的“機體生物學”概念，開拓了系統生物科學 (system bioscience) 的發展。1929發表了Edward B. Titchener 的“systematic psychology”（系統心理學），最早出現“systems psychology”名詞是在1958 年Parry J. B.有關個性心理學的工業文稿中，Maelzer DA. 在“Environment, semantics, and system theory in ecology”（J Theor Biol. 1965 May;8(3):395-402）提出套用系統論方法研究生態學。
一、基礎學科：1)、系統生物學 (systems biology, Zieglgansberger W, Tolle TR. 1993年8月提出以前的systems biology方法可用於神經疾病研究，最早systems biology的提出是1968年美國召開的學術會議及出版的論文集 - 見WolkenhauerO.的2004年論著[1])；2)、系統生態學 (systems ecology, Van Dyne GM. 1966)；3)、系統生理學 (systems physiology, Sagawa K. 1973)；4)、系統遺傳學 (system genetics, Zeng BJ. 1994 年11 月)。
二、套用學科：5)、系統生物醫學 (system biomedicine, Kamada T. ,1992第4季度) 或系統醫藥學(systems medicine & pharmacy, Zeng BJ. 1992 年4月~1995 年11月)；6)、系統生物工程 (system bio-engineering/biotechnology, Zeng BJ. 1994 年6 月)。
三、學科總論：1994 -1996 年中科院《轉基因動物通訊》轉載了1994 年5 月曾(傑)邦哲 (Zeng BJ)的“結構論-泛進化論”（又稱自組織系統結構理論）。1995-2000年組織和籌備國際會議與協會時期，曾邦哲闡述了生物系統的結構論和實驗、計算與工程方法整合的生物系統biosystem analytics與人工生物系統artificial biosystem研究，總稱以上各分支學科為系統生物科學，1999 年元月（其實始於1998年10月以色列）在德國創建了系統生物科學與工程網（genbrain biosystem network）等並於國際刊物和網際網路媒體公布（biosystem science/medicine, biosystem engineering/technology等)。
