合成生物學(xué)：屬于未來的“天工開物”

合成生物學(xué)：屬于未來的“天工開物”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?zhí)娲猃?、高效生物合成人乳寡糖……今天，這些原料都可以在工業(yè)廠房里生產(chǎn)出來。這，就是合成生物技術(shù)?！半S著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在我們有能力對一個(gè)生命體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、構(gòu)建和合成，重新構(gòu)建一個(gè)具有全新功能的生物體，這就是所謂的合成生物學(xué)?！痹谥袊茖W(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副院長、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)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(xiàn)在把它用合成生物學(xué)技術(shù)改造了，讓它擁有了植物的生產(chǎn)能力，然后就可以用發(fā)酵的方式來生產(chǎn)了?！眲㈥惲⒏嬖V記者，“現(xiàn)在我們可以把二氧化碳變成葡萄糖分子，那么化學(xué)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(xué)（籌）合成生物學(xué)院講席教授胡強(qiáng)說，“十三五”時(shí)期“藍(lán)色糧倉”就被列入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，但過去主要聚焦在經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖類水產(chǎn)物等。胡強(qiáng)也冒出一個(gè)想法，海洋上廣泛分布的藻類，能否通過合成生物學(xué)技術(shù)對其進(jìn)行開發(fā)？“藻類本身就能生成很多優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，我們希望通過改造，使其含量更高，產(chǎn)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(xué)的方法把藻類的這些油脂含量提上去。”胡強(qiáng)告訴記者，還能通過基因編輯，賦予藻類更多“使命”，讓它生產(chǎn)原本不生產(chǎn)的某一種或某一類化合物。我國是油料進(jìn)口大國，可以通過合成生物技術(shù)讓“油瓶子”里多裝中國油嗎？“我們把藻類當(dāng)成生物基的原料，通過合成生物技術(shù)，就可以把藻類改造成類似石油、煤炭一樣的能源?！焙鷱?qiáng)說。的確，隨著合成生物技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)有不少生物基材料實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。2021年，我國生物基材料產(chǎn)能1100萬噸（不含生物燃料），約占全球的31%；產(chǎn)量700萬噸，產(chǎn)值超過1500億元，約占化工行業(yè)總產(chǎn)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(xué)合成塑料的污染嚴(yán)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(chǎn)能的有限一直是其發(fā)展的瓶頸。中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員張學(xué)禮的2項(xiàng)專利“生產(chǎn)丁二酸的大腸桿菌基因工程菌及其構(gòu)建方法與應(yīng)用”和“提高丁二酸產(chǎn)量的重組菌及構(gòu)建方法”，就為高效制備丁二酸提供了好辦法——對大腸桿菌進(jìn)行改造，利用發(fā)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%?，F(xiàn)在，我們能在包裝材料、一次性餐具及購物袋、嬰兒紙尿褲、農(nóng)地膜、紡織材料等多個(gè)領(lǐng)域看到生物基可降解塑料的身影，合成生物技術(shù)功不可沒。在生命健康領(lǐng)域，合成生物學(xué)的應(yīng)用也可圈可點(diǎn)?？股卦欢仁侵虏【奶鞌场５捎诳股氐臑E用，細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的速度遠(yuǎn)高于新抗生素研發(fā)的速度，導(dǎo)致“超級耐藥菌”出現(xiàn)?！?020年深圳人民醫(yī)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(lián)合抗生素治療后，患者體內(nèi)感染的多重耐藥菌被成功清除掉。事實(shí)上，噬菌體療法并不是新鮮事。由于噬菌體會攜帶一些獨(dú)立基因，可能帶來一些副作用，加之其與細(xì)菌的復(fù)雜關(guān)系，導(dǎo)致傳統(tǒng)的噬菌體療法往往效果有限。為何這一臨床試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉贸晒Γ俊拔覀冇玫氖歉脑旌蟮氖删w?！敝袊茖W(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所研究員馬迎飛介紹，比如，針對噬菌體攜帶獨(dú)立基因的問題，通過對噬菌體進(jìn)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(qiáng)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?？春煤铣缮飳W(xué)未來的發(fā)展，“我們常說21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)，細(xì)分來說，其中合成生物學(xué)將會起到重要的推動及引領(lǐng)作用。”“格物”到“造物”，這是奧秘所在合成生物學(xué)何以如此神奇呢？從“格物”到“造物”，這是合成生物學(xué)的奧秘所在?！皞鹘y(tǒng)的生命科學(xué)，它是自上而下的，我們叫格物致知?！眲㈥惲⒋蛄藗€(gè)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(fā)現(xiàn)的過程，這是生命科學(xué)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(gè)生命的秘密是人們自己放進(jìn)去的，然后再把這個(gè)包裹一層一層裹起來，變成一個(gè)生命體，然后去看它能不能運(yùn)轉(zhuǎn)?！庇霉こ痰霓k法來做研究，是合成生物學(xué)的一大特性?！昂铣缮镉泄こ虒傩裕怯霉こ虒W(xué)方法去改造生命體；但它又有科學(xué)屬性，因?yàn)闆]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(xué)的未知性。所以合成生物學(xué)也叫工程生物學(xué)?！眲㈥惲⒔榻B，設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測試和學(xué)習(xí)是工程學(xué)研究的“套路”，“我們把這個(gè)‘套路’用在合成生物學(xué)上，就是希望能夠用工程的方法創(chuàng)造更多可能”。而這離不開信息技術(shù)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(shù)據(jù)里歸納出一句話，這需要很強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，信息技術(shù)就可以大展身手了?！瘪R迎飛表示，現(xiàn)在生命科學(xué)已經(jīng)積累了相當(dāng)多的數(shù)據(jù)，通過信息技術(shù)可以方便我們更快地對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，挖掘出最重要的生物學(xué)信息?！霸谇捌?，我們設(shè)計(jì)了很多基因的組合，把這些組合輸入計(jì)算機(jī)，它會輸出一些功能信息——這種組合到底能不能產(chǎn)青蒿素，這個(gè)基因到底表不表達(dá)……計(jì)算機(jī)給你建立了一種算法，有了這個(gè)算法，我們就知道怎樣組裝是正確的?！眲㈥惲⑾蛴浾呓榻B。在信息技術(shù)的助力下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程的智能化、自動化，能大大促進(jìn)合成生物研發(fā)效率的提升?！耙郧坝媒湍干a(chǎn)青蒿素，一個(gè)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(fā)費(fèi)用可以降低90%左右?！敝袊茖W(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員司同告訴記者。除了工程學(xué)和計(jì)算機(jī)信息科學(xué)外，合成生物學(xué)的發(fā)展，離不開生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科的融通匯聚?！盎铙w膠水”是中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員鐘超團(tuán)隊(duì)在材料合成生物學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)研究成果。他表示，經(jīng)過基因改造后的細(xì)菌可以變成“智能活體膠水”，這種膠水不僅有望實(shí)現(xiàn)海底輸油管道的自動修復(fù)，在醫(yī)藥領(lǐng)域，這種“膠水”還能自發(fā)尋找出血位置并且封堵出血傷口?！安牧虾铣缮飳W(xué)就是材料科學(xué)與合成生物學(xué)交叉碰撞的產(chǎn)物?！辩姵榻B，大量的材料合成生物學(xué)研究正在將天然生命體系的動態(tài)特征有效整合到傳統(tǒng)材料中，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)、自愈合和自增殖等特點(diǎn)?；瘜W(xué)同樣與合成生物學(xué)有著密不可分的關(guān)系。尼龍是生活中常見的材料，但傳統(tǒng)的化學(xué)合成方式會產(chǎn)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(shù)，能實(shí)現(xiàn)生物基尼龍的發(fā)酵合成，大大降低了能耗和污染。據(jù)中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所統(tǒng)計(jì)，和石化路線相比，目前生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排30％～50％，未來潛力將達(dá)到50％～70％?！巴ㄟ^對生物大分子及其內(nèi)部構(gòu)造的研究，化學(xué)為設(shè)計(jì)、改造與合成生命提供了工具包，而合成生物的發(fā)展也將促進(jìn)化學(xué)向著綠色、高效的方向發(fā)展?！瘪R迎飛說。定性到定量，需要理性設(shè)計(jì)能力盡管有著豐富的應(yīng)用場景，但作為一門新興學(xué)科，合成生物學(xué)的發(fā)展，也存在著不少難題。“我們想要去改造和創(chuàng)造生命系統(tǒng)，但卻缺乏理性設(shè)計(jì)、更高效構(gòu)建的能力。”劉陳立打了個(gè)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’?！瘪R迎飛對此表示認(rèn)同：“我們現(xiàn)在仍然缺少這種理性設(shè)計(jì)的能力，所以要不斷地去試錯(cuò)，不斷去糾正之前設(shè)計(jì)的結(jié)果，然后通過設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測試、學(xué)習(xí)這一閉環(huán)來不斷優(yōu)化完善我們的設(shè)計(jì)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)理性設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)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(xué)方面的一些進(jìn)展?！薄袄硇栽O(shè)計(jì)能力的缺乏，本質(zhì)上是我們對生物體的復(fù)雜性缺少足夠了解?！痹隈R迎飛看來，由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性極高，基因線、基因網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用非常復(fù)雜，但現(xiàn)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?！吧镨T造工廠”是生物設(shè)計(jì)與合成的自動化設(shè)施。2020年，深圳市光明區(qū)科學(xué)城建設(shè)啟動和布局了“合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”（以下簡稱“大設(shè)施”）這一重大項(xiàng)目。據(jù)劉陳立介紹，現(xiàn)在生物實(shí)驗(yàn)、生物研究的一個(gè)問題就是標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不同實(shí)驗(yàn)室、不同人做出來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難比較。大設(shè)施就是要解決這個(gè)問題，通過打造高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而建立生命體大規(guī)模模型?！坝辛诉@個(gè)模型，就能為生命設(shè)計(jì)提供‘圖紙’了?！眲㈥惲⒈硎?，未來20年，“從定性走向定量，增強(qiáng)理性設(shè)計(jì)能力”將是合成生物學(xué)重要的發(fā)展方向。設(shè)計(jì)的目的是為了應(yīng)用。但要從實(shí)驗(yàn)室走向工廠，離不開適配的設(shè)備和工藝。胡強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的研究之一，是利用合成生物學(xué)技術(shù)對海洋微藻進(jìn)行改造。他表示，目前研究存在一個(gè)很大瓶頸，就是缺乏相適應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝。經(jīng)過改造的細(xì)胞會失掉很多原有功能，變得比較脆弱。“我們現(xiàn)有的生產(chǎn)方式有些原始、粗放，滿足不了細(xì)胞生長的需要。”胡強(qiáng)告訴記者，目前這種泛化的市場工藝和設(shè)備，效率低、能耗高，制約著合成生物大規(guī)模應(yīng)用。那么，怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)新的制造系統(tǒng)跟它適配，彌補(bǔ)細(xì)胞本身固有的不足，充分把它的優(yōu)勢表達(dá)出來？這就要提到生物制造?！捌鋵?shí)，生物制造是一個(gè)載體，或者說是反應(yīng)器、發(fā)酵罐，它可以把基因編輯改良后的細(xì)胞優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，不足的地方