有了合成生物技術(shù)，用100立方米工業(yè)發(fā)酵罐生產(chǎn)出的青蒿素，與5萬畝農(nóng)業(yè)種植獲得的產(chǎn)量相當。

如果我們食用的糧食、肉類、油脂，不需要土地種植和畜牧養(yǎng)殖，就可以擺脫靠天吃飯和土地資源緊張的命運;如果我們使用的汽油、制造各種化工產(chǎn)品的原料，不需要石油、天然氣等碳基能源，就不會再擔心能源枯竭和環(huán)境污染的問題;如果很多珍稀的藥物成分，不需要再從植物和動物中提取，就不會擔心物種滅絕和過多殺戮……這些看似天方夜譚的事情，正隨著合成生物學技術(shù)的迅猛發(fā)展被逐步實現(xiàn)，未來我們所需的各種產(chǎn)品可能像釀啤酒一樣，在工廠車間就能制造出來。

日前科技部批準建設國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心，這將為提升我國合成生物領域企業(yè)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力提供有力支撐。

合成生物學作為新興前沿交叉學科之一，早在2004年就被美國《麻省理工·技術(shù)評論》選為改變世界的未來十大技術(shù)之一。中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副所長王欽宏介紹說，合成生物學就是采用工程化設計理念，對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成，創(chuàng)建出能完成特定功能或被賦予非自然功能的“人工生物”。它是繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)和基因組測序之后的“第三次生物科學革命”，促進了人類對生命密碼從“讀”到“寫”的質(zhì)變，使人類克服自然進化的局限，讓設計自然為人類服務成為可能。

“合成生物學是在分子水平上對生命系統(tǒng)的重新設計和改造。”王欽宏解釋說，這個過程很像IT技術(shù)，如果讓計算機實現(xiàn)某種功能，需要很多元器件集成起來?；蚓拖喈斢诰哂懈鞣N功能的元器件，我們把所需要合成的目標物質(zhì)的各種基因以工程化的方式設計集成，然后裝入底盤細胞(目前便于遺傳操控的釀酒酵母和大腸桿菌是常用的底盤細胞)，被重新設計的細胞就是合成生物。以生物合成番茄紅素為例，我們可以先從番茄中提取番茄紅素合成所需要的所有基因，然后把這些基因重新設計組合，再裝入“底盤細胞”——大腸桿菌或釀酒酵母中獲得合成生物，再以葡萄糖作為原料，通過類似釀造啤酒一樣的過程，生產(chǎn)出的番茄紅素，與從番茄中提取的番茄紅素完全一樣。

這個看似簡單的過程，涉及到生物學與化學、工程學、計算、生物信息學等多學科的交叉融合，此外還涉及基因組測序、基因化學合成、基因編輯、生物計算與建模、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析、理性設計與定向進化、合成途徑構(gòu)建與調(diào)控等一系列核心技術(shù)。

“從2010年首個細胞生命被成功合成，到2019年實現(xiàn)功能性定制細胞器的合成，合成生物學不斷取得重大科學突破。”王欽宏介紹說，目前合成生物技術(shù)主要應用于信號傳導、能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)合成和分子識別等領域。信號傳導可應用于癌癥、糖尿病的智能診療，靈敏檢測出體內(nèi)的疾病;能量轉(zhuǎn)化可用于人工光合作用，通過重新設計植物中光合作用系統(tǒng)，提高光合作用中植物對能量的吸收轉(zhuǎn)化，使作物生長周期縮短，增加產(chǎn)量;物質(zhì)合成是通過構(gòu)建合成細胞工廠，實現(xiàn)化工、材料、能源的綠色制造;分子識別主要應用于環(huán)境檢測，通過增強分子信號識別能力，提高檢測的靈敏度。

顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式

“傳統(tǒng)的化學合成，主要以石油、天然氣等碳基能源作為原料，在生產(chǎn)過程中，可能會產(chǎn)生大量二氧化碳和有毒有害物質(zhì)。而采用合成生物技術(shù)，只需要酵母、細菌等做‘底盤’，用來自玉米淀粉的葡萄糖等做原料，就可以合成我們所需的各種物質(zhì)。”王欽宏進一步介紹，此外還可以使用秸稈等植物纖維作為原料，甚至目前正在研究跳過植物光合作用合成物質(zhì)的步驟，直接使用二氧化碳作為原料，完成各種生物合成。

“因此，合成生物技術(shù)的應用，顛覆了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥等領域傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式，為社會經(jīng)濟問題提供解決方案，創(chuàng)造價值鏈高端的新經(jīng)濟增長點。”王欽宏說，“目前合成生物技術(shù)正快速向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。”

在農(nóng)產(chǎn)品方面，使用微生物細胞作為細胞工廠，我國已實現(xiàn)人參皂苷、番茄紅素、燈盞花素、天麻素等眾多天然產(chǎn)物的人工合成，形成了新的制造模式，減少了對土地的依賴和污染。以天麻素為例，其生物合成成本是植物提取的1/200、化學合成的1/2—1/3，生產(chǎn)效率大幅提升，質(zhì)量可完全替代化學合成。王欽宏介紹說：“還有像紅景天里面的主要成分紅景天苷，這種成分只有在生長于海拔4000米以上的紅景天中才能提取到。而通過生物合成的方式，在工廠里就可以生產(chǎn)了。”

在石油化工產(chǎn)品方面，我國目前創(chuàng)建了丁二酸、丙氨酸、蘋果酸等一批化學品合成的生物制造路線，顛覆了對石油、天然氣等傳統(tǒng)資源的依賴與高污染的傳統(tǒng)化工過程。“以丙氨酸為例，我國在國際上率先建成萬噸級L-丙氨酸生物合成路線，相比化工合成路線，生產(chǎn)成本降低50%，廢水排放和能耗分別降低90%、40%。”王欽宏介紹說。

在化學原料藥方面，實現(xiàn)了羥脯氨酸、肌醇、左旋多巴、維生素B12等產(chǎn)品的綠色新工藝。以肌醇為例，合成生物工藝較傳統(tǒng)工藝高磷廢水的排放減少90%以上，成本降低50%以上。

在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造方面，應用生物紡織、生物造紙、生物脫膠等綠色生物工藝，實現(xiàn)了二氧化碳減排，減少污水排放，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走出資源環(huán)境制約。

發(fā)展迅猛但亟須突破瓶頸

雖然目前國際合成生物學研究飛速發(fā)展，合成生物學的底層技術(shù)、生物體系構(gòu)建、實用性技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了革命性變化，但是合成生物技術(shù)要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降低成本、提高與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的競爭力非常重要。“比如美國合成生物學家設計構(gòu)建了能夠生產(chǎn)抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細胞，其技術(shù)能力可實現(xiàn)100立方米工業(yè)發(fā)酵罐的生產(chǎn)量與5萬畝農(nóng)業(yè)種植獲得的產(chǎn)量相當，使抗瘧疾藥物成本下降90%，堪稱合成生物技術(shù)的重大應用典范。”王欽宏說。

“我國在合成生物領域起步略晚，但是進展很快，目前我國合成生物學研究，無論是在基礎科研論文發(fā)表量，還是技術(shù)專利申請量方面，均已在國際上處于第二位。”王欽宏介紹說，前不久在天津召開了兩個合成生物學領域的盛會——“2019代謝工程國際會議”和“第十屆中國工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展高峰論壇暨第四屆生物工業(yè)投資大會”。在會上，代謝工程學科創(chuàng)始人之一的延斯·尼爾森表示，中國正在全球代謝工程領域發(fā)揮越來越重要的作用。與此同時，還發(fā)布了《中國工業(yè)生物技術(shù)白皮書2019》，全面總結(jié)了中國工業(yè)生物技術(shù)近年來在基礎研究、應用研究、技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面取得的進展和成就。

“但與美國相比，我國在基礎理論、核心體系、產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面尚存在不小的差距。”王欽宏坦言，這主要表現(xiàn)在原創(chuàng)標志性工作較少，還沒有出現(xiàn)類似于“人造生命”、青蒿素合成式的重大突破;合成生物設計創(chuàng)制的技術(shù)方法體系不完善，元件標準化、通用性方面有差距，導致核心技術(shù)和關(guān)鍵設備對國外依存度高;從基礎研究到應用技術(shù)創(chuàng)新方面，需要更好地銜接，需要從需求出發(fā)凝練核心科學問題，推進合成生物學技術(shù)顛覆式創(chuàng)新與工程化應用，支撐生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

目前，我國在自主細胞工廠創(chuàng)制的機制與分子基礎方面，在DNA合成、生物元件標準化、基因編輯系統(tǒng)、合成生物理性設計等底層核心技術(shù)構(gòu)建方面，在高通量、自動化的系統(tǒng)技術(shù)平臺建設方面還存在不足，亟須突破技術(shù)瓶頸，占領國際競爭制高點。 (陳 曦)