光明日報記者 崔興毅 光明日報通訊員 蔡雨琪
二氧化碳人工合成淀粉、二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸、生物基尼龍替代化石基尼龍、高效生物合成人乳寡糖……今天，這些原料都可以在工業廠房里生產出來。這，就是合成生物技術。“隨著科學與技術的發展，現在我們有能力對一個生命體進行重新設計、構建和合成，重新構建一個具有全新功能的生物體，這就是所謂的合成生物學。”在中國科學院深圳先進技術研究院副院長、深圳合成生物學創新研究院院長劉陳立看來，這是屬于未來的“天工開物”。
微生物變身“超級工廠”
“微生物酵母本來不干植物干的事，現在把它用合成生物學技術改造了，讓它擁有了植物的生產能力，然后就可以用發酵的方式來生產了。”劉陳立告訴記者，“現在我們可以把二氧化碳變成葡萄糖分子，那么化學品材料、燃料也許都能走得通了。”
“耕地資源不足，能否從占地球71%表面積的海洋中去獲取糧食。”深圳理工大學（籌）合成生物學院講席教授胡強說，“十三五”時期“藍色糧倉”就被列入國家重點研發計劃，但過去主要聚焦在經濟養殖類水產物等。
胡強也冒出一個想法，海洋上廣泛分布的藻類，能否通過合成生物學技術對其進行開發？
“藻類本身就能生成很多優質產品，我們希望通過改造，使其含量更高，產率更高，比如其中的功能性油脂，包括脂肪酸、EPA、DHA等，就可以通過合成生物學的方法把藻類的這些油脂含量提上去。”胡強告訴記者，還能通過基因編輯，賦予藻類更多“使命”，讓它生產原本不生產的某一種或某一類化合物。
我國是油料進口大國，可以通過合成生物技術讓“油瓶子”里多裝中國油嗎？“我們把藻類當成生物基的原料，通過合成生物技術，就可以把藻類改造成類似石油、煤炭一樣的能源。”胡強說。
的確，隨著合成生物技術的發展，目前已經有不少生物基材料實現了產業化。2021年，我國生物基材料產能1100萬噸（不含生物燃料），約占全球的31%；產量700萬噸，產值超過1500億元，約占化工行業總產值的2%。
生物基可降解塑料就是生物基材料的典型代表。
由于化學合成塑料的污染嚴重，可降解聚酯塑料PBS成為近幾年熱門的新材料，而原料丁二酸產能的有限一直是其發展的瓶頸。中科院天津工業生物技術研究所研究員張學禮的2項專利“生產丁二酸的大腸桿菌基因工程菌及其構建方法與應用”和“提高丁二酸產量的重組菌及構建方法”，就為高效制備丁二酸提供了好辦法——對大腸桿菌進行改造，利用發酵方法高效制備生物基丁二酸。
與石化路線相比，生物基丁二酸的制備成本下降了近20%。現在，我們能在包裝材料、一次性餐具及購物袋、嬰兒紙尿褲、農地膜、紡織材料等多個領域看到生物基可降解塑料的身影，合成生物技術功不可沒。
在生命健康領域，合成生物學的應用也可圈可點。
抗生素曾一度是致病菌的天敵。但由于抗生素的濫用，細菌產生耐藥性的速度遠高于新抗生素研發的速度，導致“超級耐藥菌”出現。
“2020年深圳人民醫院一位患者，肺部感染了多重耐藥的鮑曼不動桿菌，這意味著臨床上常用的抗生素基本無效。但在采用噬菌體療法并聯合抗生素治療后，患者體內感染的多重耐藥菌被成功清除掉。
事實上，噬菌體療法并不是新鮮事。由于噬菌體會攜帶一些獨立基因，可能帶來一些副作用，加之其與細菌的復雜關系，導致傳統的噬菌體療法往往效果有限。
為何這一臨床試驗能夠取得成功？
“我們用的是改造后的噬菌體。”中國科學院深圳先進院合成生物學研究所研究員馬迎飛介紹，比如，針對噬菌體攜帶獨立基因的問題，通過對噬菌體進行精簡，去其糟粕取其精華；針對噬菌體治療效果不是很高的問題，在噬菌體基因組上整合一些可以增強噬菌體殺菌活力的基因，賦予噬菌體更好的安全性和有效性。
馬迎飛非常看好合成生物學未來的發展，“我們常說21世紀是生物學的世紀，細分來說，其中合成生物學將會起到重要的推動及引領作用。”
“格物”到“造物”，這是奧秘所在
合成生物學何以如此神奇呢？從“格物”到“造物”，這是合成生物學的奧秘所在。
“傳統的生命科學，它是自上而下的，我們叫格物致知。”劉陳立打了個比方，生命體的秘密藏在盒子里面，把盒子打開，一層一層打開的過程就是發現的過程，這是生命科學在做的事。“而合成生物是反過來的，是自下而上重建的，等于這個生命的秘密是人們自己放進去的，然后再把這個包裹一層一層裹起來，變成一個生命體，然后去看它能不能運轉。”
用工程的辦法來做研究，是合成生物學的一大特性。
“合成生物有工程屬性，它是用工程學方法去改造生命體；但它又有科學屬性，因為沒人干過，工程改造完之后，我并不知道它能不能造出來，有科學的未知性。所以合成生物學也叫工程生物學。”劉陳立介紹，設計、構建、測試和學習是工程學研究的“套路”，“我們把這個‘套路’用在合成生物學上，就是希望能夠用工程的方法創造更多可能”。
而這離不開信息技術的助力。
“真理往往是很簡單的，可能就一句話，但如果要從萬千數據里歸納出一句話，這需要很強大的學習能力，信息技術就可以大展身手了。”馬迎飛表示，現在生命科學已經積累了相當多的數據，通過信息技術可以方便我們更快地對海量數據進行歸納總結，挖掘出最重要的生物學信息。
“在前期，我們設計了很多基因的組合，把這些組合輸入計算機，它會輸出一些功能信息——這種組合到底能不能產青蒿素，這個基因到底表不表達……計算機給你建立了一種算法，有了這個算法，我們就知道怎樣組裝是正確的。”劉陳立向記者介紹。
在信息技術的助力下，實現設計和生產流程的智能化、自動化，能大大促進合成生物研發效率的提升。“以前用酵母生產青蒿素，一個菌株需要十年十億美元，如今只需要一年半到兩年，并且研發費用可以降低90%左右。”中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究員司同告訴記者。
除了工程學和計算機信息科學外，合成生物學的發展，離不開生命科學、物理學、化學、數學、材料科學等多學科的融通匯聚。
“活體膠水”是中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究員鐘超團隊在材料合成生物學領域的一項研究成果。他表示，經過基因改造后的細菌可以變成“智能活體膠水”，這種膠水不僅有望實現海底輸油管道的自動修復，在醫藥領域，這種“膠水”還能自發尋找出血位置并且封堵出血傷口。
“材料合成生物學就是材料科學與合成生物學交叉碰撞的產物。”鐘超介紹，大量的材料合成生物學研究正在將天然生命體系的動態特征有效整合到傳統材料中，使其能夠實現自適應、自愈合和自增殖等特點。
化學同樣與合成生物學有著密不可分的關系。
尼龍是生活中常見的材料，但傳統的化學合成方式會產生大量的溫室氣體，消耗大量的水和能源。如今，利用合成生物技術，能實現生物基尼龍的發酵合成，大大降低了能耗和污染。據中科院天津工業生物技術研究所統計，和石化路線相比，目前生物制造產品平均節能減排30％～50％，未來潛力將達到50％～70％。
“通過對生物大分子及其內部構造的研究，化學為設計、改造與合成生命提供了工具包，而合成生物的發展也將促進化學向著綠色、高效的方向發展。”馬迎飛說。
定性到定量，需要理性設計能力
盡管有著豐富的應用場景，但作為一門新興學科，合成生物學的發展，也存在著不少難題。
“我們想要去改造和創造生命系統，但卻缺乏理性設計、更高效構建的能力。”劉陳立打了個比方，“給你上千塊積木，卻沒有圖紙告訴你拼成什么樣、怎么去拼。我們目前就缺少這樣一張‘生命圖紙’。”
馬迎飛對此表示認同：“我們現在仍然缺少這種理性設計的能力，所以要不斷地去試錯，不斷去糾正之前設計的結果，然后通過設計、構建、測試、學習這一閉環來不斷優化完善我們的設計。如果能夠實現理性設計，即設計出來的東西就是我們想要的，這樣可以大大加速合成生物學方面的一些進展。”
“理性設計能力的缺乏，本質上是我們對生物體的復雜性缺少足夠了解。”在馬迎飛看來，由于生物系統的復雜性極高，基因線、基因網絡之間的相互作用非常復雜，但現階段人們了解得還不夠多。
那么，在目前條件下，該怎樣獲取“生命圖紙”？這就要提到“生物鑄造工廠”了。
“生物鑄造工廠”是生物設計與合成的自動化設施。2020年，深圳市光明區科學城建設啟動和布局了“合成生物研究重大科技基礎設施”（以下簡稱“大設施”）這一重大項目。據劉陳立介紹，現在生物實驗、生物研究的一個問題就是標準不統一，不同實驗室、不同人做出來的實驗結果很難比較。大設施就是要解決這個問題，通過打造高質量、標準化的數據庫，進而建立生命體大規模模型。
“有了這個模型，就能為生命設計提供‘圖紙’了。”劉陳立表示，未來20年，“從定性走向定量，增強理性設計能力”將是合成生物學重要的發展方向。
設計的目的是為了應用。但要從實驗室走向工廠，離不開適配的設備和工藝。
胡強團隊的研究之一，是利用合成生物學技術對海洋微藻進行改造。他表示，目前研究存在一個很大瓶頸，就是缺乏相適應的生產設備和工藝。
經過改造的細胞會失掉很多原有功能，變得比較脆弱。“我們現有的生產方式有些原始、粗放，滿足不了細胞生長的需要。”胡強告訴記者，目前這種泛化的市場工藝和設備，效率低、能耗高，制約著合成生物大規模應用。
那么，怎樣設計一個新的制造系統跟它適配，彌補細胞本身固有的不足，充分把它的優勢表達出來？
這就要提到生物制造。“其實，生物制造是一個載體，或者說是反應器、發酵罐，它可以把基因編輯改良后的細胞優勢充分發揮出來，不足的地方還可以讓生物反應器來彌補。”
比如在藻類的合成生物學研究上，胡強建議“兩條腿走路”，一方面，在目前比較好的微藻底盤細胞基礎上，繼續打造更好的工程藻株；另一方面，開發下一代的生物制造系統。
“我們希望不管是在設備上還是工藝上都是顛覆性的。”胡強表示，“當我們既有很好的工程藻株，又有這種顛覆性的生物反應器，我相信一定會取得豐碩成果，可以說前景是非常廣闊的。”
《光明日報》（ 2023年05月25日 16版）
