合成生物技术让“油瓶子”里多装中国油吗?

二氧化碳合成淀粉、二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸、生物基尼龙代替化石基尼龙、高效生物合成乳寡糖。今天，这些原料可以在工业工厂生产。这是合成生物技术。“随着科学技术的发展，我们现在有能力重新设计、构建和合成一个具有新功能的生物体，这就是所谓的合成生物学。中国科学院深圳先进技术研究院副院长、深圳合成生物学创新研究院院长刘陈丽认为，这是未来的“天工开物”。

微生物变成“超级工厂”

“微生物酵母最初不做植物，现在用合成生物技术改造，使其具有植物生产能力，然后可以通过发酵生产。”刘陈丽告诉记者，“现在我们可以把二氧化碳变成葡萄糖分子，所以化学材料和燃料可能会很好。”

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深圳理工大学(筹)合成生物学院讲座教授胡强说:“耕地资源不足，能否从占地球71%表面积的海洋中获得粮食。”“十三五”期间，“蓝色粮仓”被列入国家重点研发计划，但过去主要集中在经济养殖水产品上。

胡强也有一个想法，海洋上广泛分布的藻类能通过合成生物技术开发出来吗？

“藻类本身可以产生许多高质量的产品。我们希望通过改造，使其含量更高，产量更高，如功能性油，包括脂肪酸EPA、DHA等。，可以通过合成生物学提高藻类的油脂含量。”胡强告诉记者，藻类也可以通过基因编辑给予更多的“使命”，让它们生产一种或一种原本不生产的化合物。

中国是一个主要的石油进口国。我们能通过合成生物技术在“油瓶”中安装更多的中国油吗？胡强说：“我们把藻类作为生物基的原料，通过合成生物技术，我们可以把藻类转化为石油和煤等能源。”。

事实上，随着合成生物技术的发展，许多生物基材料已经产业化。2021年，我国生物基材料产能1100万吨(不含生物燃料)，约占世界的31%；产量700万吨，产值超过1500亿元，约占化工总产值的2%。

生物基可降解塑料是生物基材料的典型代表。

由于化学合成塑料污染严重，可降解聚酯塑料PBS近年来已成为一种流行的新材料，丁二酸原料生产能力有限一直是其发展的瓶颈。张学礼，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员，两项专利“生产丁二酸大肠杆菌基因工程菌及其施工方法和应用”和“提高丁二酸产量的重组菌和施工方法”，为高效制备丁二酸提供了改造大肠杆菌的好方法，利用发酵方法高效制备生物基丁二酸。

与石化路线相比，生物基丁二酸的制备成本下降了近20%。现在，我们可以在包装材料、一次性餐具和购物袋、婴儿尿布、农用塑料薄膜、纺织材料等领域看到生物基可降解塑料，合成生物技术做出了巨大贡献。

合成生物学在生命健康领域的应用也值得称赞。

抗生素曾经是致病菌的天敌。然而，由于抗生素的滥用，细菌的耐药性远高于新抗生素的研发，导致“超耐药细菌”的出现。

“2020年，深圳人民医院的一名患者肺部感染了多种耐药鲍曼不动杆菌，这意味着临床上常用的抗生素基本无效。然而，在噬菌体治疗和联合抗生素治疗后，成功去除了患者体内感染的多种耐药菌。

事实上，噬菌体疗法并不新鲜。传统的噬菌体疗法往往效果有限，因为噬菌体携带一些独立基因，可能会带来一些副作用，与细菌的复杂关系。

为什么这种临床试验能成功？

“我们使用的是改造后的噬菌体。”中国科学院深圳合成生物学研究所研究员马迎飞介绍，如噬菌体携带独立基因，简化噬菌体，去除其糟粕，提取其精华；对于噬菌体治疗效果不是很高的问题，将一些能增强噬菌体杀菌活力的基因整合到噬菌体基因组中，赋予噬菌体更好的安全性和有效性。

马英飞对合成生物学的未来发展非常乐观。”我们常说，21世纪是生物学的世纪，其中合成生物学将在促进和领导中发挥重要作用。”

从“格物”到“造物”，这就是奥秘

为什么合成生物学如此神奇？从“格物”到“造物”，这就是合成生物学的奥秘。

“传统的生命科学是自上而下的，我们称之为格物致知。刘陈丽举了个例子，生命体的秘密藏在盒子里，打开盒子，一层一层打开的过程就是发现的过程，这就是生命科学所做的。“合成生物反过来又自下而上重建，这意味着生命的秘密是人们自己放进去的，然后把它一层一层地包起来，变成一个生命体，然后看看它是否能工作。”

合成生物学的一大特点是利用工程方法进行研究。

“合成生物具有工程属性，采用工程方法改造生命体；但它也有科学属性，因为没有人做过。经过工程改造，我不知道它是否能制造出来，这是科学未知的。因此，合成生物学又称工程生物学。刘陈丽介绍说，设计、施工、测试和学习是工程研究的“常规”，“我们在合成生物学中使用这个‘常规’，希望通过工程方法创造更多的可能性”。

这与信息技术的帮助是分不开的。

“真相通常很简单，可能只是一个词，但如果你想从成千上万的数据中总结一个词，这需要很强的学习能力，信息技术可以展示你的技能。”马英飞说，生命科学积累了相当多的数据，信息技术可以方便我们更快地总结大量的数据，挖掘出最重要的生物信息。

“在早期阶段，我们设计了许多基因组合，将这些组合输入计算机，它将输出一些功能信息——这种组合是否能产生青蒿素，基因是否表达……计算机为你建立了一个算法，我们知道如何正确地组装它。”刘陈丽向记者介绍。

在信息技术的帮助下，智能化和自动化的设计和生产过程可以大大提高合成生物的研发效率。中国科学院深圳先进技术研究所合成生物学研究所研究员司同告诉记者：“过去，用酵母生产青蒿素需要十年十亿美元，但现在只需要一年半到两年，研发成本可以降低90%左右。”。

合成生物学的发展除了工程和计算机信息科学外，还离不开生命科学、物理学、化学、数学、材料科学等多学科的融合。

“活胶”是中国科学院深圳先进技术研究所合成生物学研究所研究员钟超团队在材料合成生物学领域的研究成果。他说，基因转化后的细菌可以变成“智能活胶”，这不仅预计将实现海底输油管道的自动修复，而且在制药领域，这种“胶”还可以自发地找到出血位置，堵塞出血伤口。

“材料合成生物学是材料科学与合成生物学交叉碰撞的产物。”钟超介绍说，大量的材料合成生物学研究有效地将自然生命系统的动态特征整合到传统材料中，从而实现自适应、自愈合和自增殖。

化学也与合成生物学密切相关。

尼龙是生活中常见的材料，但传统的化学合成方法会产生大量的温室气体，消耗大量的水和能源。如今，利用合成生物技术，可以实现生物基尼龙的发酵合成，大大降低能耗和污染。据中国科学院天津工业生物技术研究所统计，与石化路线相比，生物制造产品平均节能减排30种％～50％，未来潜力将达到50％～70％。

马迎飞说：“通过对生物大分子及其内部结构的研究，化学为设计、改造和合成生命提供了工具包，合成生物的发展也将促进化学向绿色高效的方向发展。”。

从定性到定量需要理性的设计能力

虽然应用场景丰富，但合成生物学的发展作为一门新兴学科，也存在许多问题。

“我们想要改造和创造生命系统，但我们缺乏理性设计和更高效的建设能力。”刘陈丽举了个例子，“给你几千块积木，但没有图纸告诉你怎么拼，怎么拼。我们目前缺少这样一张‘生命图’。”

马英飞同意这一点：“我们仍然缺乏这种理性设计的能力，所以我们应该不断尝试和错误，不断纠正以前的设计结果，然后不断优化和改进我们的设计，通过设计、构建、测试和学习的闭环。如果我们能实现理性的设计，也就是说，设计是我们想要的，这可以大大加快合成生物学的一些进展。”

“缺乏理性的设计能力本质上是因为我们对生物体的复杂性缺乏足够的了解。”马英飞认为，由于生物系统的高度复杂性，基因线和基因网络之间的相互作用非常复杂，但人们对这个阶段了解不够。

那么，在目前的条件下，如何获得“生命图”呢？这就要提到“生物铸造厂”了。

“生物铸造厂”是生物设计与合成的自动化设施。2020年，深圳市光明区科学城建设启动并布局了“合成生物研究重大科技基础设施”(以下简称“大设施”)。据刘陈丽介绍，生物实验和生物研究的一个问题是标准不统一，难以比较不同实验室和人员的实验结果。大型设施是通过建立高质量、标准化的数据库来解决这个问题，然后建立大规模的生命体模型。

“有了这个模型，你可以为生命设计提供‘图纸’。”刘陈丽表示，未来20年，“从定性到定量，提高理性设计能力”将是合成生物学的重要发展方向。

设计的目的是应用。但从实验室到工厂，离不开合适的设备和工艺。

胡强团队的研究之一是利用合成生物技术改造海洋微藻。他说，目前的研究瓶颈是缺乏适当的生产设备和技术。

改造后的细胞将失去许多原始功能，变得更加脆弱。”我们现有的生产方法有些原始和广泛，不能满足细胞生长的需要。”胡强告诉记者，这种广泛的市场技术和设备效率低、能耗高，限制了合成生物的大规模应用。

那么，如何设计一个新的制造系统来适应它，弥补细胞本身固有的不足，充分表达它的优势呢？

这将提到生物制造。“事实上，生物制造是一种载体，或反应器和发酵罐，它可以充分发挥基因编辑改良后的细胞优势，生物反应器可以弥补不足。”

例如，在藻类合成生物学研究中，胡强建议“双腿行走”。另一方面，开发下一代生物制造系统。

“我们希望设备和技术都是颠覆性的。”胡强说：“当我们既有好的工程藻株，又有这种颠覆性的生物反应器时，我相信我们会取得丰硕的成果。可以说，前景非常广阔。”