陈曦
若是我们食用的食粮、肉类、油脂，不需要地盘莳植和畜牧养殖，便可以解脱靠天吃饭和地盘资本严重的命运；若是我们利用的汽油、制造各类化工产物的原料，不需要石油、自然气等碳基能源，就不会再担忧能源枯竭和情况污染的题目；若是良多珍稀的药物成份，不需要再从植物和动物中提取，就不会担忧物种灭尽和过量殛毙……这些看似天方夜谭的工作，正跟着合成生物学手艺的迅猛成长被慢慢实现，将来我们所需的各类产物可能像酿啤酒一样，在工场车间就可以制造出来。
操纵合成生物学建造的番茄红素，经由过程报酬基因从头设计的年夜肠杆菌合成生物和葡萄糖，两生成产出来的数目相当于1吨番茄提掏出的数目。（陈曦摄影）
日前科技部核准扶植国度合成生物手艺立异中间，这将为晋升我国合成生物范畴企业和财产立异能力供给有力支持。
设计“天然”为人类办事
合成生物学作为新兴前沿交叉学科之一，早在2004年美国MIT出书的《手艺评论》中就被选为将改变世界的十年夜手艺之一。中国科学院天津产业生物手艺研究所副所长王钦宏先容说，合成生物学就是采取工程化设计理念，对生物体进行有方针的设计、革新甚至从头合成，建立出能完成特定功能或被付与非天然功能的“人工生物”。它是继DNA双螺旋布局发现和基因组测序以后的“第三次生物科学革命”，增进了人类对生命暗码从“读”到“写”的质变，令人类降服天然进化的局限，让设计天然为人类办事成为可能。
“合成生物学是在份子程度上对生命系统的从头设计和革新。”王钦宏诠释说，这个进程很像IT手艺，若是让计较机实现某种功能，需要良多元器件集成起来。基因就相当于具有各类功能的元器件，我们把所需要合成的方针物资的各类基因以工程化的体例设计集成，然后装进底盘细胞（今朝便于遗传操控的酿酒酵母和年夜肠杆菌是经常使用的底盘细胞），被从头设计的细胞就是合成生物。以生物合成番茄红素为例，我们可以先从番茄中提取番茄红素合成所需要的所有基因，然后把这些基因从头设计组合，再装进“底盘细胞”——年夜肠杆菌或酿酒酵母中取得合成生物；操纵这类合成生物，以葡萄糖作为原料，经由过程近似酿造啤酒一样的进程，可以出产出我们所需要的番茄红素，与从番茄中提取的番茄红素完全一样。
这个看似简单的进程，触及到生物学与化学、工程学、计较、生物信息学等多学科的交叉融会，另外还触及基因组测序、基因化学合成、基因编纂、生物计较与建模、卵白质布局解析、理性设计与定向进化、合成路子构建与调控等一系列焦点手艺。
“从2010年，首个细胞生命被成功合成，到2019年实现功能性定制细胞器的合成，合成生物学不竭获得重年夜科学冲破。”王钦宏先容说，今朝合成生物手艺首要利用于旌旗灯号传导、能量转化、物资合成和份子辨认等范畴。旌旗灯号传导可利用于癌症、糖尿病的智能诊疗，活络检测出体内的疾病；能量转化可用于人工光合感化，经由过程从头设计植物中光合感化系统，进步光合感化中植物对能量的接收转化，使作物发展周期缩短，增添产量；物资合成是经由过程构建合成细胞工场，实现化工、材料、能源的绿色制造；份子辨认首要利用于情况检测，经由过程加强份子旌旗灯号辨认能力，进步检测的活络度。
倾覆传统财产模式
“传统的化学合成，都是以石油、自然气等碳基能源作为原料，在出产进程中，可能会发生年夜量二氧化碳和有毒有害物资。而采取生物合成手艺，只需要酵母、细菌等做‘底盘’，用来自玉米淀粉的葡萄糖等做原料，便可以合成我们所需的各类物资。”王钦宏进一步先容，另外还可使用秸秆等植物纤维作为原料，乃至今朝正在研究跳过植物光合感化合成物资的步调，直接利用二氧化碳作为原料，完成各类生物合成。”
“是以，合成生物手艺的利用，倾覆了产业、农业、食物、医药等范畴传统财产模式，为社会经济题目供给解决方案，缔造价值链高真个新经济增加点。”王钦宏欣喜地说，“今朝合成生物手艺正快速向适用化、财产化标的目的成长。”
在农产物方面，利用微生物细胞作为细胞工场，我国已实现人参皂苷、番茄红素、灯盏花素、天麻素等浩繁自然产品的人工合成，构成了新的制造模式，削减对地盘的依靠和污染。以天麻素为例，其生物合成本钱是植物提取的1/200、化学合成的1/2~1/3，出产效力年夜幅晋升，质量可完全替换化学合成。王钦宏先容说：“还有像红景天，里面的首要成份是红景天苷，这类成份只有在发展于海拔4000米以上的红景天中才能提取到。而经由过程生物合成的体例，在工场里便可以出产了。”
在石油化工产物方面，我国今朝建立了丁二酸、丙氨酸、苹果酸等一批化学品合成的生物制造线路，倾覆了对石油、自然气等传统资本的依靠与高污染的传统化工进程。“以丙氨酸为例，我国在国际上率先建成万吨级L-丙氨酸生物合成线路，比拟化工合成线路，出产本钱下降50%，废水排放和能耗别离下降90%、40%。”王钦宏先容说。
在化学原料药方面，实现了羟脯氨酸、肌醇、左旋多巴、维生素B12等产物的绿色新工艺。以肌醇为例，合成生物工艺较传统工艺高磷废水、COD排放别离削减90%、50%以上，本钱下降50%以上。
在传统财产革新方面，利用生物纺织、生物造纸、生物脱胶等绿色生物工艺，实现了二氧化碳减排，削减污水排放，增进传统财产走出资本情况制约。
成长迅猛但亟需冲破瓶颈
固然今朝国际合成生物学研究飞速成长，合成生物学的底层手艺、生物系统构建、适用性手艺已产生了革命性转变，可是合成生物手艺要想实现财产化，下降本钱、进步与传统出产模式的竞争力很是主要。“好比美国合成生物学家设计构建了可以或许出产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞，其手艺能力已可以100立方产业发酵罐替换5万亩的农业莳植，使抗疟疾药物本钱降落90%，可谓合成生物手艺的重年夜利用典型。”王钦宏说。
“我国在合成生物范畴起步略晚，可是进展很快，今朝我国合成生物学研究，不管是在根本科研论文颁发量，仍是手艺专利申请量方面，均已在国际上处于第二位。”王钦宏先容说，前不久在天津召开了两个合成生物学范畴的嘉会——“2019代谢工程国际会议”和“第十届中国产业生物手艺成长岑岭论坛暨第四届生物产业投资年夜会”。在会上，代谢工程学科开创人之一的延斯·尼尔森暗示，中国正在全球代谢工程范畴阐扬愈来愈主要的感化。与此同时，还发布了《中国产业生物手艺白皮书2019》，周全总结了中国产业生物手艺最近几年来在根本研究、利用研究、手艺转化与财产成长等方面获得的进展和成绩。
“但与美国比拟，我国在根本理论、使能手艺、焦点系统、财产手艺等方面尚存在不小的差距。”王钦宏坦言，这首要表示在原创标记性工作较少，还没有呈现近似于“人造生命”、青蒿素合成式的科学或手艺的重年夜冲破；合成生物设计创制的手艺方式系统不完美，元件尺度化、通用性方面有差距，致使焦点手艺和关头装备对国外依存度高；从根本研究到利用手艺立异方面，需要更好地跟尾，需要从需求动身凝炼焦点科学题目，推动合成生物学手艺倾覆式立异与工程化利用，支持生物财产成长。
今朝，我国在自立细胞工场创制的机制与份子根本方面，在DNA合成、生物元件尺度化、基因编纂系统、合成生物理性设计等底层焦点手艺构建方面，在高通量、主动化的系统手艺平台扶植方面还存在不足，亟需冲破手艺瓶颈，占据国际竞争制高点。
加载更多>>