杰·基斯林教授

在“光明科學城2020工程生物創(chuàng)新大會暨《麻省理工科技評論》中國生命科學創(chuàng)業(yè)大賽決賽”上，美國加州大學伯克利分?；瘜W工程和生物工程的杰·基斯林教授做了以《基因工程生物，解決全球挑戰(zhàn)》為題的演講。

以下根據(jù)演講實錄整理：

大家好，很榮幸今天能給大家做演講。我的演講題目是《基因工程生物，解決全球挑戰(zhàn)》，在我的演講中，我不僅會講述幾點這些挑戰(zhàn)，還會講合成生物學如何被用于解決其他的挑戰(zhàn)。

截至2050年，全球人口預計將達到96億，為了滿足人口需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力需要增加60%;同時，截至2050年，預計氣候變化將使作物產(chǎn)量下降40%。截至本世紀之交，作物產(chǎn)量預計將減少80%;此外，未來30年里，預計全球能量需求將增長超過50%，這會導致大氣中的二氧化碳增多，進而加劇氣候變化;最后由于氣候的變化，疾病治療會變得更加困難，因為越來越多的病原體對現(xiàn)有藥物具有耐藥性，但缺少新藥的加入。

當今年代的主要問題來自食物、水、能源、環(huán)境和健康，接下來我先談一下我們在健康領域的工作。這里要特別提及一種疾病一瘧疾，大約30億人口處于感染該疾病的風險中，約2億人遭受感染，另外，每年死于瘧疾的人口數(shù)量超過50萬，大部分是5歲以下的孩子。

一種名為青蒿素的藥物可以治療瘧疾，它是一味中藥，來源于名為黃花蒿的植物。關于它的歷史和價值，我相信很多觀眾比我更清楚，它最先出現(xiàn)在一本醫(yī)術著作中，用于治療痔瘡，后來被用于治療可能由瘧疾引起的發(fā)燒，青蒿素在之后很長一段時間里被遺忘了，直到越南戰(zhàn)爭時，屠呦呦翻看古醫(yī)學書籍文獻，找到了關于生產(chǎn)青蒿素的描述，并成功分離了活性成分青蒿素。

2004年，世界衛(wèi)生組織建議采用該療法治療無并發(fā)癥的瘧疾。青蒿素的使用也面臨了很多挑戰(zhàn)，首先是價格和可用性，其次是質(zhì)量，最后是虐原蟲對青蒿素的耐藥性。這是目前青蒿素的生產(chǎn)流程，它由植物合成，然后從植物中提純，再用化學方法將其轉(zhuǎn)化成各種不同的衍生物，用于青蒿素聯(lián)合療法中的制劑。

我們在幾年前提出，用酵母來源的青蒿素藥物來代替植物產(chǎn)出的青蒿素藥物，工程酵母可以產(chǎn)生青蒿素，也可以被轉(zhuǎn)化成與植物來源一樣的衍生物，這是我們和一個初創(chuàng)公司合作的項目，該公司是由我們的實驗室孵化的，名字叫Amyri s。其生產(chǎn)流程很簡單，我們把生產(chǎn)青蒿素的基因從植物中提出來，導入酵母，讓酵母在大規(guī)模發(fā)酵中，從簡單的糖類生產(chǎn)出青蒿酸，然后提純并將其轉(zhuǎn)化成青蒿素聯(lián)合療法中的衍生物。

青蒿素是在黃花蒿葉片的油囊里合成的，我們推斷，既然青蒿素是在油囊中合成的，油囊細胞一定富含合成青蒿素的酶和編碼青蒿素的mRNA，那我們可以在這里克隆用于生產(chǎn)青蒿素的基因。所以，我們克隆了基因并將其放入了酵母的染色體中，當這些基因表達時，酵母就會產(chǎn)生青蒿素。我們編輯酵母來生產(chǎn)青蒿酸，這項技術被授權給賽諾菲。

這是意大利的生產(chǎn)設施，用于將青蒿酸轉(zhuǎn)化為青蒿素，這些準備制成藥片青蒿素，這是用酵母來源的青蒿酸制成的最終藥片，約5100萬次治療用藥已被送至非洲，我們每年能夠生產(chǎn)1億至1.5億次治療用藥，大約占全球總需求的一半。

Amyris沒有利用這一技術掙錢，加州大學放棄了這一知識產(chǎn)權，Amyris通過這一過程生產(chǎn)青蒿素，在編輯酵母的過程中還能產(chǎn)生許多其它分子，目前，Amyris有大約9種不同的分子，被用于目前市場上的商品和消費品中，更多的產(chǎn)品即將出現(xiàn)，他們都來自用于生產(chǎn)青蒿素的工程酵母。

下面我講另外一個我實驗室的故事，是關于生產(chǎn)大麻素的。大麻素來源于大麻植物，THc和CBD是2個更為人所知的大麻素，如右圖所示，它們被廣泛用于治療疼痛和減輕癌癥治療的副作用，從大麻植物提取大麻素很困難，如果通過化學合成的方法進行生產(chǎn)，每1kg就將花費4-7萬美金。

目前，F(xiàn)DA批準了幾種大麻素處方藥，最新批準的藥物是Epidiolex，它由CBD制成，用于治療小兒癲癇。目前大麻素市場正在急速增長，在接下來的10年里，到2026年可能增長至500億美元，而到2030年，可能達到1000億美元。

對于用來生產(chǎn)FDA批準的治療藥物的大麻素，通常都是在室溫中生產(chǎn)的，這是一個不可擴大規(guī)模的系統(tǒng)。它們需要大量的電、光和水，以上是不可擴大規(guī)模的流程。微生物發(fā)酵是可擴大規(guī)模的，所以我們的目標和青蒿素項目非常相似，把基因從大麻植物提取出來，然后將其放入酵母中，讓他們在單糖中生長來生產(chǎn)大麻素。

我們在加州創(chuàng)辦了一家名為DEMETRIX的公司來攻克這個項目，我們通過整合大麻植物和其它物種的代謝通路到酵母，使酵母產(chǎn)生了THC、CBD、CBG、CBDV和THCV，這些都是天然大麻素。我們還可以合成很多非天然大麻素，沒有任何植物可以產(chǎn)生的大麻素，所以這個平臺有潛力生產(chǎn)成百上千天然大麻素，以及很多治療人類疾病更優(yōu)的非天然大麻素。

下面我們談談能源，當今年代面臨的另一個主要問題。你們肯定知道，我們使用的燃料和化學材料均來源于地下的石油，我們都知道汽車、卡車或飛機使用燃料后會向外排放二氧化碳，加劇全球氣候變暖。此外，很多材料最后成為廢物流向了海洋。我們希望利用可再生能源來生產(chǎn)這些燃料、化學品或材料，主要是陽光和來源于大氣中的二氧化碳。通過植物，或者不同的“生物工廠”。

現(xiàn)在在美國，每年可用于生產(chǎn)燃料和化學品的生物物質(zhì)達到10億噸，大約是全部交通燃料的1/3或所需化學品的2倍。

我現(xiàn)在管理著加州的一個科研機構(gòu)，叫“聯(lián)合生物能源研究所”（JBEI），其使命是將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料和生物制品。我們在2007年成立，2012年續(xù)約，2017年正式開始，我們提供科學依據(jù)，將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料和生物制品，換提供再生化學品，從而實現(xiàn)生物經(jīng)濟在美國及全全球的繁榮發(fā)展，這些年我們完成的是讓植物積累更多的纖維素和半纖維素，你們可以看到這里有非工程植物和工程植物，后者細胞壁更厚，含有更多的纖維素/糖來轉(zhuǎn)化成生物燃料和生物制品，我們還研發(fā)高效工藝，可以提取纖維素并將糖類轉(zhuǎn)化為生物燃料。

這是一個工程細菌生產(chǎn)柴油燃料的示意圖，就像編輯酵母生產(chǎn)青蒿素一樣，我們采用了類似的方法，事實上，我們用的是同一個菌株，我們用生物燃料基因取代青蒿素基因，利用酵母來生產(chǎn)生物燃料?，F(xiàn)在的生產(chǎn)過程非常簡單，你可以用糖培養(yǎng)這些細菌或者酵母，它們會生產(chǎn)并分泌生物燃料到培養(yǎng)基中，這可以進行提純，如果編輯正確的話，它可以直接作為燃料使用，不需要進行任何處理。

這是一個簡單的生物燃料的生產(chǎn)過程。該燃料是完全碳中性的而且完全可再生，現(xiàn)在我們將話題從生物制品轉(zhuǎn)向我們?nèi)绾瓮ㄟ^工程生物學來改善環(huán)境。

如果你看一桶油的用途，你會發(fā)現(xiàn)大約80%～85%的油用于生產(chǎn)燃料，另外15%～20%被用于制造塑料、顏料以及其它生活消費品。如果你看一下石油制成的產(chǎn)品數(shù)量，你會發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨多，這是一個非常簡化的石油制品表，許多產(chǎn)品面臨的一個巨大挑戰(zhàn)是它們不能生物降解，最終流入海洋，這樣一來，大量由石油制成的塑料產(chǎn)品會在海洋中積累，于是我們就想有更好的塑料，比如可生物降解的塑料以及有更好特性的材料。

那么，問題來了：我們可否用生物學來創(chuàng)造新材料？我們目前正在進行的工作是克隆土壤里酶的基因，把這些酶的基因取出來，并創(chuàng)造新的酶，進行雜交重組，將其編輯入微生物中，讓它們將單糖轉(zhuǎn)化成有價值的材料，如可降解生物塑料，當它們被投入海洋中時會快速降解，以及轉(zhuǎn)化成新的材料，可用于延展接合或制成衣物、運動服等。這些材料不但是可再生的，它們還是碳陰性的，因為如果你不燃燒它們，釋放的二氧化碳就可以被植物吸收并轉(zhuǎn)換成這些產(chǎn)品，它在產(chǎn)物中沉積而不是回到大氣中，所以它們是碳陰性的。

最后我想談一下合成生物學的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，該領域增長的非?？?，這里展示了合成生物學從2009年～2018年的增長情況，2019年和2020年表現(xiàn)更加出彩。

這些是頂級合成生物學公司以及它們籌集資金的情況，這么多年來，截至2018年，融資金額已經(jīng)很高了。

下面我們簡單講講機遇，其實有很多機會，有很多傳統(tǒng)中藥，我們可以用今天我講到的方法：把基因克隆出來生產(chǎn)療法藥物，把它們放入一個有機體，如酵母或細菌，然后它們就生產(chǎn)相關的分子。同樣，新材料領域也有很大的需求，材料領域是一個數(shù)十億美元的全球產(chǎn)業(yè)，我們需要更多新的優(yōu)于來自石化品的聚合物，然后將其用于3D打印、柔性電子、自修復材料以及阻燃材料。我們還需要滿足日益增長的人口，這需要大量的氮基肥料，如果我們能編輯植物讓它們生產(chǎn)所需的肥料，這會大量減少氮基肥料的生產(chǎn)并減少碳在大氣中的排放;此外，讓植物用更少的水來保持同樣的產(chǎn)率也是一個非常重要的研究領域;最后，改善人類和動物健康以及為土壤提供營養(yǎng)和防御病原體的工程微生物，也是非常重要的研究領域。

我想感謝在這幾年里一直資助我們研究的組織，感謝我身為其中一員的全部機構(gòu)，也感謝大家的時間和參與。（摘自美《深科技》）（編輯/諾伊克）