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)種直瘃得的產(chǎn)量相當。

假如我們食用的糧食,、肉類,、油脂，別需要土地種植和畜牧養(yǎng)殖，就能夠擺脫靠天吃飯和土地資源緊張的命運,；假如我們使用的汽油,、創(chuàng)造各種化工產(chǎn)品的原料，別需要石油,、天然氣等碳基能源,，就別大概再擔心能源枯竭和環(huán)境污染的咨詢題；假如特不多珍稀的藥物成分,，別需要再從植物和動物中提取,，就別大概擔心物種滅絕和過多殺戮……這些看似天方夜譚的情況，正隨著合成生物學技術(shù)的迅猛進展被逐步實現(xiàn),，今后我們所需的各種產(chǎn)品大概像釀啤酒一樣,，在工廠車間就能創(chuàng)造出來。

日前科技部批準建設(shè)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(lǐng)域企業(yè)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力提供有力支撐,。

創(chuàng)建有特定功能的“人工生物”

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》選為改變世界的今后十大技術(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講,，合成生物學算是采納工程化設(shè)計理念，對生物體舉行有目標的設(shè)計,、改造乃至重新合成,，創(chuàng)建出能完成特定功能或被給予非自然功能的“人工生物”。它是繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)覺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(shè)計自然為人類服務(wù)成為大概,。

“合成生物學是在分子水平上對生命系統(tǒng)的重新設(shè)計和改造,。”王欽宏解釋講,，那個過程特不像IT技術(shù),，假如讓計算機實現(xiàn)某種功能，需要特不多元器件集成起來,?；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(shè)計集成,，接著裝入底盤細胞（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(shè)計的細胞算是合成生物。以生物合成番茄紅素為例,，我們能夠先從番茄中提取番茄紅素合成所需要的所有基因,，接著把這些基因重新設(shè)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,，經(jīng)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徹底一樣,。

那個看似簡單的過程,，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(shè)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，合成生物學別斷取得重大科學突破,?！蓖鯕J宏介紹講，目前合成生物技術(shù)要緊應用于信號傳導,、能量轉(zhuǎn)化,、物質(zhì)合成和分子識不等領(lǐng)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??；能量轉(zhuǎn)化可用于人工光合作用，經(jīng)過重新設(shè)計植物中光合作用系統(tǒng),，提高光合作用中植物對能量的汲取轉(zhuǎn)化,，使作物生長周期縮短，增加產(chǎn)量,；物質(zhì)合成是經(jīng)過構(gòu)建合成細胞工廠,，實現(xiàn)化工、材料,、能源的綠色創(chuàng)造,；分子識不要緊應用于環(huán)境檢測,，經(jīng)過增強分子信號識不能力，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,，要緊以石油、天然氣等碳基能源作為原料,，在生產(chǎn)過程中,，大概會產(chǎn)生大量二氧化碳和有毒有害物質(zhì)。而采納合成生物技術(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,，就能夠合成我們所需的各種物質(zhì),。”王欽宏進一步介紹,，此外還能夠使用秸稈等植物纖維作為原料,，甚至目前正在研究躍過植物光合作用合成物質(zhì)的步驟，直截兩脖使用二氧化碳作為原料,，完成各種生物合成,。

“所以，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(lǐng)域傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式,，為社會經(jīng)濟咨詢題提供解決方案，制造價值鏈高督材新經(jīng)濟增長點,?！蓖鯕J宏講，“目前合成生物技術(shù)正快速向有用化,、產(chǎn)業(yè)化方向進展,。”

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，形成了新的創(chuàng)造模式,，減少了對土地的依靠和污染,。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)量可徹底替代化學合成。王欽宏介紹講：“還有像紅景天里面的要緊成分紅景天苷,，這種成分惟獨在生長于海拔4000米以上的紅景天中才干提取到,。而經(jīng)過生物合成的方式，在工廠里就能夠生產(chǎn)了,?！?/p>

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創(chuàng)造路線，顛覆了對石油,、天然氣等傳統(tǒng)資源的依靠與高污染的傳統(tǒng)化工過程,。“以丙氨酸為例,，我國在國際上領(lǐng)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)成本落低50%,，廢水排放和能耗分不落低90%,、40%?！蓖鯕J宏介紹講,。

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，成本落低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,。

進展迅猛但亟須突破瓶頸

盡管目前國際合成生物學研究飛快進展，合成生物學的底層技術(shù),、生物體系構(gòu)建,、有用性技術(shù)基本發(fā)生了革命性變化，然而合成生物技術(shù)要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,，落低成本,、提高與傳統(tǒng)生產(chǎn)模事淠競爭力很重要?！氨热缑绹铣缮飳W家設(shè)計構(gòu)建了可以生產(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)種直瘃得的產(chǎn)量相當，使抗瘧疾藥物成本下落90%,，堪稱合成生物技術(shù)的重大應用典范,。”王欽宏講,。

“我國在合成生物領(lǐng)域起步略晚,，然而發(fā)展特不快，目前我國合成生物學研究,，不管是在基礎(chǔ)科研論文發(fā)表量,，依舊技術(shù)專利申請量方面，均已在國際上處于第二位,?！蓖鯕J宏介紹講，前別大會兒在天津召開了兩個合成生物學領(lǐng)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)進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(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用,。與此并且,，還公布了《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(chǔ)研究,、應用研究,、技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)進展等方面取得的發(fā)展和成就。

“但與美國相比,，我國在基礎(chǔ)理論,、核心體系、產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面尚存在別小的差距,?！蓖鯕J宏坦言，這要緊表如今原創(chuàng)標志性工作較少,，還沒有浮上類似于“人造生命”,、青蒿素合成事淠重大突破,；合成生物設(shè)計創(chuàng)制的技術(shù)想法體系別完善，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(shè)備對國外依存度高；從基礎(chǔ)研究到應用技術(shù)創(chuàng)新方面,，需要更好地銜接,，需要從需求動身凝練核心科學咨詢題，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)進展,。