光明日報記者 崔興(xing) 毅 光明日報通訊員 蔡雨琪

　　二氧化碳人工合成澱粉、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(ye) 廠房裏生產(chan) 出來。這，就是合成生物技術。“隨著科學與(yu) 技術的發展，現在我們(men) 有能力對一個(ge) 生命體(ti) 進行重新設計、構建和合成，重新構建一個(ge) 具有全新功能的生物體(ti) ，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，這是屬於(yu) 未來的“天工開物”。

　　微生物變身“超級工廠”

　　“微生物酵母本來不幹植物幹的事，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(chan) 能力，然後就可以用發酵的方式來生產(chan) 了。”劉陳立告訴記者，“現在我們(men) 可以把二氧化碳變成葡萄糖分子，那麽(me) 化學品材料、燃料也許都能走得通了。”

　　“耕地資源不足，能否從(cong) 占地球71%表麵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(cang) ”就被列入國家重點研發計劃，但過去主要聚焦在經濟養(yang) 殖類水產(chan) 物等。

　　胡強也冒出一個(ge) 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(you) 質產(chan) 品，我們(men) 希望通過改造，使其含量更高，產(chan) 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(chan) 原本不生產(chan) 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”裏多裝中國油嗎？“我們(men) 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(chan) 業(ye) 化。2021年，我國生物基材料產(chan) 能1100萬(wan) 噸（不含生物燃料），約占全球的31%；產(chan) 量700萬(wan) 噸，產(chan) 值超過1500億(yi) 元，約占化工行業(ye) 總產(chan) 值的2%。

　　生物基可降解塑料就是生物基材料的典型代表。

　　由於(yu) 化學合成塑料的汙染嚴(yan) 重，可降解聚酯塑料PBS成為(wei) 近幾年熱門的新材料，而原料丁二酸產(chan) 能的有限一直是其發展的瓶頸。中科院天津工業(ye) 生物技術研究所研究員張學禮的2項專(zhuan) 利“生產(chan) 丁二酸的大腸杆菌基因工程菌及其構建方法與(yu) 應用”和“提高丁二酸產(chan) 量的重組菌及構建方法”，就為(wei) 高效製備丁二酸提供了好辦法——對大腸杆菌進行改造，利用發酵方法高效製備生物基丁二酸。

　　與(yu) 石化路線相比，生物基丁二酸的製備成本下降了近20%。現在，我們(men) 能在包裝材料、一次性餐具及購物袋、嬰兒(er) 紙尿褲、農(nong) 地膜、紡織材料等多個(ge) 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。但由於(yu) 抗生素的濫用，細菌產(chan) 生耐藥性的速度遠高於(yu) 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杆菌，這意味著臨(lin) 床上常用的抗生素基本無效。但在采用噬菌體(ti) 療法並聯合抗生素治療後，患者體(ti) 內(nei) 感染的多重耐藥菌被成功清除掉。

　　事實上，噬菌體(ti) 療法並不是新鮮事。由於(yu) 噬菌體(ti) 會(hui) 攜帶一些獨立基因，可能帶來一些副作用，加之其與(yu) 細菌的複雜關(guan) 係，導致傳(chuan) 統的噬菌體(ti) 療法往往效果有限。

　　為(wei) 何這一臨(lin) 床試驗能夠取得成功？

　　“我們(men) 用的是改造後的噬菌體(ti) 。”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(ti) 攜帶獨立基因的問題，通過對噬菌體(ti) 進行精簡，去其糟粕取其精華；針對噬菌體(ti) 治療效果不是很高的問題，在噬菌體(ti) 基因組上整合一些可以增強噬菌體(ti) 殺菌活力的基因，賦予噬菌體(ti) 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(men) 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(hui) 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(cong) “格物”到“造物”，這是合成生物學的奧秘所在。

　　“傳(chuan) 統的生命科學，它是自上而下的，我們(men) 叫格物致知。”劉陳立打了個(ge) 比方，生命體(ti) 的秘密藏在盒子裏麵，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，等於(yu) 這個(ge) 生命的秘密是人們(men) 自己放進去的，然後再把這個(ge) 包裹一層一層裹起來，變成一個(ge) 生命體(ti) ，然後去看它能不能運轉。”

　　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(ti) ；但它又有科學屬性，因為(wei) 沒人幹過，工程改造完之後，我並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(xi) 是工程學研究的“套路”，“我們(men) 把這個(ge) ‘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(cong) 萬(wan) 千數據裏歸納出一句話，這需要很強大的學習(xi) 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(men) 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(men) 設計了很多基因的組合，把這些組合輸入計算機，它會(hui) 輸出一些功能信息——這種組合到底能不能產(chan) 青蒿素，這個(ge) 基因到底表不表達……計算機給你建立了一種算法，有了這個(ge) 算法，我們(men) 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(chan) 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(chan) 青蒿素，一個(ge) 菌株需要十年十億(yi) 美元，如今隻需要一年半到兩(liang) 年，並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(ti) 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鍾超團隊在材料合成生物學領域的一項研究成果。他表示，經過基因改造後的細菌可以變成“智能活體(ti) 膠水”，這種膠水不僅(jin) 有望實現海底輸油管道的自動修複，在醫藥領域，這種“膠水”還能自發尋找出血位置並且封堵出血傷(shang) 口。

　　“材料合成生物學就是材料科學與(yu) 合成生物學交叉碰撞的產(chan) 物。”鍾超介紹，大量的材料合成生物學研究正在將天然生命體(ti) 係的動態特征有效整合到傳(chuan) 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(yu) 合成生物學有著密不可分的關(guan) 係。

　　尼龍是生活中常見的材料，但傳(chuan) 統的化學合成方式會(hui) 產(chan) 生大量的溫室氣體(ti) ，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，大大降低了能耗和汙染。據中科院天津工業(ye) 生物技術研究所統計，和石化路線相比，目前生物製造產(chan) 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(nei) 部構造的研究，化學為(wei) 設計、改造與(yu) 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(feng) 富的應用場景，但作為(wei) 一門新興(xing) 學科，合成生物學的發展，也存在著不少難題。

　　“我們(men) 想要去改造和創造生命係統，但卻缺乏理性設計、更高效構建的能力。”劉陳立打了個(ge) 比方，“給你上千塊積木，卻沒有圖紙告訴你拚成什麽(me) 樣、怎麽(me) 去拚。我們(men) 目前就缺少這樣一張‘生命圖紙’。”

　　馬迎飛對此表示認同：“我們(men) 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，然後通過設計、構建、測試、學習(xi) 這一閉環來不斷優(you) 化完善我們(men) 的設計。如果能夠實現理性設計，即設計出來的東(dong) 西就是我們(men) 想要的，這樣可以大大加速合成生物學方麵的一些進展。”

　　“理性設計能力的缺乏，本質上是我們(men) 對生物體(ti) 的複雜性缺少足夠了解。”在馬迎飛看來，由於(yu) 生物係統的複雜性極高，基因線、基因網絡之間的相互作用非常複雜，但現階段人們(men) 了解得還不夠多。

　　那麽(me) ，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(yu) 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(ge) 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(jue) 這個(ge) 問題，通過打造高質量、標準化的數據庫，進而建立生命體(ti) 大規模模型。

　　“有了這個(ge) 模型，就能為(wei) 生命設計提供‘圖紙’了。”劉陳立表示，未來20年，“從(cong) 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(wei) 了應用。但要從(cong) 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(ge) 很大瓶頸，就是缺乏相適應的生產(chan) 設備和工藝。

　　經過改造的細胞會(hui) 失掉很多原有功能，變得比較脆弱。“我們(men) 現有的生產(chan) 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，製約著合成生物大規模應用。

　　那麽(me) ，怎樣設計一個(ge) 新的製造係統跟它適配，彌補細胞本身固有的不足，充分把它的優(you) 勢表達出來？

　　這就要提到生物製造。“其實，生物製造是一個(ge) 載體(ti) ，或者說是反應器、發酵罐，它可以把基因編輯改良後的細胞優(you) 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(liang) 條腿走路”，一方麵，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；另一方麵，開發下一代的生物製造係統。

　　“我們(men) 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(men) 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(hui) 取得豐(feng) 碩成果，可以說前景是非常廣闊的。”