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萌芽期（2005年以前）：基因线路在代谢工程领域的应用是这一时期的代表。典型成果：青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。
起步期（2005-2011年）：基础研究快速发展，工程化理念日渐深入，使技术平台得到重视，方法以及工具的不断开发，“工程生物学”早期发展。
成长期（2011-2015年）：基因组编辑效率大幅提升，技术开发和应用不断拓展，技术的应用从生物基化学品、生物能源拓展至疾病诊断、药物和疫苗开发、作物育种、环境监测、生物新材料等诸多领域。
创新阶段（2015年以后）：合成生物学“设计—构建—测试”（Design-Build-Test，DBT）循环拓展至“设计-构建-测试-学习” （Design-Build-Test-Learn，DBTL）。生物技术与信息技术融合发展特点更加明显，半导体合成生物学、工程生物学等理念相继提出。
分子生物学与基因组工程是合成生物学的根基，因为必须透过剪接DNA，才能写出所需要的作业系统;资讯科学、统计学与系统生物学，专精于生物资料的收集、分析与模拟;电机电子工程则是负责控制逻辑回路的设计。合成生物学具体研究内容主要包括几个方面：
1)底盘生物(chassis)及其基因组的合成、简化与重构，以作为各类生物元件、组件及系统的运行平台，如T7噬菌体基因组的重构(Chan et al., 2005)、克雷格文特尔人造细胞Synthia(JCVI1.0)的构建等。
2)生物大分子(如核酸和蛋白质)的合成、改造与模块化，如DNA合成技术的发展(Kosuri et al., 2010；Matzas et al., 2010)；人工创造遗传物质，如类DNA化合物(XNA)的合成(Pinheiro et al., 2012)；非天然氨基酸的合成(Noren et al., 1990；Wang and Schultz 2002；Chin et al., 2003；Mehl et al., 2003；Wang et al., 2003)及相应新密码子、tRNA的构建(Hohsaka et al., 2001；Hohsaka et al., 2001)，基于蛋白质工程的酶功能的优化、改造等。
3)合成及优化代谢网络，如青蒿酸(Martin et al., 2003；Ro et al., 2006；Hale et al., 2007；Tsuruta et al., 2009)、紫杉醇(Ajikumar et al., 2010)及高级醇(Atsumi et al., 2008)的生物合成基因簇的优化及异源表达。
4)各类生物功能元件的标准化，以及基于标准化生物元件的基因线路的设计与多领域应用。
合成生物学的目标是透过创造或修改基因组的过程，了解生命运作的法则，并导入抽象化、标准化等工程概念，以进行系统化设计与开发相关应用。合成生物学改变了许多不同应用中采用的方法和技术，包括但不限于：
合成生物学有助于发现、分离获得新的天然药物，设计新的生物合成途径，产生更多天然药物及类似物；将合成生物学原理广泛应用于肿瘤治疗的免疫细胞的设计，产生多样化的治疗策略，最大可能做到高效、低毒、可控、通用等目标；开发快速、灵敏的诊断试剂和体外诊断系统，满足早期筛查、临床诊断、疗效评价、治疗预后、出生缺陷诊断的需求；促进疫苗升级换代，重点推动新型疫苗（包括治疗性疫苗）的研发和产业化。
开发人工合成细菌，可将糖类直接转化成与常规燃油兼容的生物燃油，甚至可以直接从太阳获取能量，制造清洁燃料。
基于合成生物学理论和技术设计，合成的高活性和高稳定性新材料，具有重量轻、强度高、结构精细、性能特异、生产能耗少、成本低、速度快、环境危害小等特点，在工业生产领域中有广泛应用。
自然界中存在很多具有特殊生物活性的物质资源，但同时伴随着自然资源的稀少、成分含量稀缺的情况。利用合成生物学能够借助于微生物完美再现自然状态下获取的天然活性物质，在保障其天然功效的同时满足社会商业化应用的需求，真正实现长足的可持续发展。
运用合成生物学对人造生物体设计、构建的生物计算机和基于生物合成材料的新型量子计算机，其运算速度和存储能力有望比现有计算机高出数亿倍，在此基础上研发智能计算机，可具备人脑的分析、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。
合成生物学是一门迅速成长的新兴交叉学科，自2000年左右开始，相关的研究论文数量逐年上升。随着相关技术的进步(如DNA合成及DNA测序技术的发展)，合成生物学的许多基础研究工作(如底盘生物的基因组简化与重构)、标准化生物元件库的扩充、基因线路设计的创新等，都会在近几年得到飞速发展。
在应用方面，随着青蒿酸、紫杉醇的生物合成，微藻产油及高级醇合成基因簇的改造，砷离子生物传感器的应用，合成生物学已经在生物医药、生物能源、环境治理等领域展现了巨大的潜力，并且在生物计算、微生物成像等许多方面展现了极具创意的应用，对其他学科的发展有着不可忽视的影响。21世纪是生物学的世纪，而合成生物学将是未来生物学发展的重要分支，必将对人类生活产生重大影响。
【1】Martin V J J, Pitera D J, Withers ST, et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for productionof terpenoids[J]. Nature biotechnology, 2003, 21(7): 796-802.【2】Meng, F., Ellis, T. The second decade of synthetic biology: 2010–2020. Nat Commun 11, 5174 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19092-2
【3】Jacobsen JH, Frigaard NU. Engineering of photosynthetic mannitol biosynthesis from CO2 in a cyanobacterium. Metab Eng. 2014 Jan;21:60-70. doi: 10.1016/j.ymben.2013.11.004. Epub 2013 Nov 19. PMID: 24269997.
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