文·圖/李偉

合成生物學(xué)應(yīng)用前景廣闊

改造微生物

合成生物學(xué)應(yīng)用于人造食品領(lǐng)域

剛剛過(guò)去的2022年，被視為合成生物學(xué)應(yīng)用大爆發(fā)“元年”，各個(gè)領(lǐng)域的突破為合成生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用提供了更多想象空間和可能性。作為生物制造產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，合成生物學(xué)以其前沿性和顛覆性備受關(guān)注。

“精確生產(chǎn)”我們需要的東西

合成生物學(xué)區(qū)別于傳統(tǒng)生命科學(xué)（如基因科學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)等）的核心是其“工程學(xué)本質(zhì)”——按照人們的需求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的“產(chǎn)品”。與各種設(shè)備一樣，人工合成生物有明確的應(yīng)用目的。

人類數(shù)千年前就開(kāi)始利用天然微生物，比如釀酒用的酵母。這種技術(shù)是基于偶然的發(fā)現(xiàn)，且一種微生物一般只能生產(chǎn)出一種產(chǎn)品。想要“釀造”別的食品，又得經(jīng)歷漫長(zhǎng)的過(guò)程，在億萬(wàn)種微生物中大浪淘沙。其偶然性決定了這樣的方式是十分低效的。

有了合成生物學(xué)，科學(xué)家就可以改造微生物自身的構(gòu)造，創(chuàng)造出自然界中原本不存在的微生物，甚至讓它們與半導(dǎo)體等人造物質(zhì)結(jié)合，“精確生產(chǎn)”我們需要的東西。

根據(jù)麥肯錫咨詢公司發(fā)布的數(shù)據(jù)，未來(lái)10—20年，合成生物學(xué)每年對(duì)材料、化學(xué)和能源等產(chǎn)業(yè)的直接和間接經(jīng)濟(jì)影響，可能在2000億—3000億美元之間。

中美兩國(guó)對(duì)合成生物學(xué)的布局都較早，已發(fā)布多幅科技路線圖，包括“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”“工程生物學(xué)”“微生物組”“工程生物學(xué)與材料科學(xué)”等。這些路線圖關(guān)注跨學(xué)科的交叉融合，進(jìn)一步明確了合成生物學(xué)未來(lái)20年的發(fā)展方向和目標(biāo)。

農(nóng)業(yè)和食品生產(chǎn)

天然微生物產(chǎn)出的一些物質(zhì)可以作為農(nóng)藥，遠(yuǎn)比化學(xué)農(nóng)藥高效、安全，且對(duì)環(huán)境更為友好，在植物病蟲(chóng)害防控及保護(hù)糧食安全領(lǐng)域具有不可或缺的作用。

除蟲(chóng)菊酯是菊科植物天然生成的一種物質(zhì)，它對(duì)蜜蜂、蝴蝶等農(nóng)業(yè)益蟲(chóng)無(wú)毒，卻能有效殺傷多種害蟲(chóng)。它對(duì)大多數(shù)哺乳動(dòng)物不會(huì)產(chǎn)生危害，在環(huán)境中留存的時(shí)間也比較短。獲取這種物質(zhì)的常規(guī)方法是大量種植菊花，然后提取除蟲(chóng)菊酯。這不僅需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而且萃取化學(xué)物質(zhì)的工序頗為繁雜，所以天然除蟲(chóng)菊酯的產(chǎn)量受到限制。

借助合成生物學(xué)技術(shù)可以解決上述問(wèn)題。根據(jù)菊花制造除蟲(chóng)菊酯的過(guò)程，合成植物細(xì)胞中參與相關(guān)工作的“元件和流水線”，把它植入微生物細(xì)胞，就可以大量繁殖有用的微生物，生成除蟲(chóng)菊酯。

在食品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，合成生物學(xué)已經(jīng)能夠產(chǎn)出完全還原質(zhì)地和口感的產(chǎn)品。以人造蜂蜜為例。在自然環(huán)境中，蜜蜂制造蜂蜜的方法是把花粉吞下，在其體內(nèi)進(jìn)行微生物發(fā)酵，再吐出來(lái)，即形成蜂蜜。利用合成生物學(xué)技術(shù)，可以把微生物放入培養(yǎng)體系，模擬蜜蜂體內(nèi)的發(fā)酵過(guò)程。應(yīng)用合成生物學(xué)的目的不只在于節(jié)省成本、提高效率，還有更深遠(yuǎn)的意義。仍以人造蜂蜜為例。大規(guī)模養(yǎng)蜂容易對(duì)野生蜜蜂種群造成沖擊。如果能夠把蜜蜂從蜂蜜的供應(yīng)鏈中“解放”出來(lái)，就有利于更好地保護(hù)生物多樣性。

醫(yī)療領(lǐng)域

在治療癌癥方面，合成生物學(xué)的思路是改造微生物，將特定的微生物轉(zhuǎn)化成更具針對(duì)性、更智能、更高效的抗癌“武器”。被改造過(guò)的微生物一方面能夠“喚醒”人體自身的免疫細(xì)胞，讓它們積極工作；另一方面能幫忙運(yùn)送藥物分子。目前一些人造微生物已進(jìn)入臨床治療前的試驗(yàn)研究階段，并取得了比較理想的效果，有望成為用于治療癌癥的活體生物藥劑。

在基礎(chǔ)診療方面，合成生物學(xué)也有用武之地。美國(guó)麻省理工學(xué)院合成生物小組的研究人員，把人造微生物植入水凝膠，讓它附著在人體皮膚表面上。當(dāng)這塊生物材質(zhì)接觸特定的物質(zhì)時(shí)，植入的微生物就會(huì)因受到刺激而發(fā)光，提醒研究人員，“有某種化學(xué)分子存在”。該技術(shù)可用于檢測(cè)有毒物質(zhì)、病原體、過(guò)敏源，甚至可以通過(guò)皮膚對(duì)患者作初步的醫(yī)療診斷。

醫(yī)美是當(dāng)下頗具經(jīng)濟(jì)前景的一條賽道。利用合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的天然高分子材料PHA（聚羥基烷酸酯），正在被市場(chǎng)所接受，從而成為“輕醫(yī)美”的上佳選擇。PHA降解周期小于6個(gè)月，在所有自然環(huán)境中都可以完全降解為水和二氧化碳。

新能源和新材料

近年來(lái)，新能源概念逐漸深入人們的日常生活。為了減輕對(duì)污染環(huán)境的化石能源的依賴，人們一直尋求無(wú)污染的新能源。除了耳熟能詳?shù)娘L(fēng)能、太陽(yáng)能外，生物能源也是重要的探索方向。

萬(wàn)物可創(chuàng)

光合作用對(duì)空氣中碳元素的利用率接近100%，但整個(gè)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換效率較低，一般在5%以下。利用合成生物學(xué)技術(shù)，情況就完全不同了。科學(xué)家探索將固態(tài)半導(dǎo)體光吸收器和一些微生物融合，形成“半導(dǎo)體-細(xì)胞混合體”，讓生物能夠更有效地捕捉光能，并將其轉(zhuǎn)移到糖類等物質(zhì)中固定下來(lái)。在另一些研究中，科學(xué)家試圖改進(jìn)微生物對(duì)糖的利用效率，使它們能夠?qū)⑻欠洲D(zhuǎn)化為汽油、柴油、乙醇等燃料。一旦這條路走通了，那么從空氣中提取清潔燃料將由夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

現(xiàn)有的新能源技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品，也可以利用合成生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。例如氫燃料電池具備高效、清潔的特點(diǎn)，但其成本較高，因?yàn)橐靡恍┵F金屬來(lái)做催化劑。利用合成生物學(xué)，可以讓微生物把一些纖維素加工成具有特定的孔隙、表面積較大的水凝膠，以替代貴金屬（比如鉑金）充當(dāng)催化劑。如此一來(lái)，氫燃料電池的成本就能夠大幅下降。

人類對(duì)特殊生物材料及其性能抱有濃厚的興趣。比如蜘蛛絲的機(jī)械性能，又如河里、海里的貝類能粘在巖石上，等等?；ず蛡鹘y(tǒng)的生物發(fā)酵工程，都在解析、還原生物成分上一籌莫展，因?yàn)橹虢z蛋白、肌連蛋白等超高分子量的蛋白質(zhì)，分子信息量過(guò)大，難以人工合成。借助合成生物學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家可以把海洋貽貝的黏液分泌腺體摘出來(lái)單獨(dú)培養(yǎng)，或者直接用工程細(xì)胞來(lái)仿制，直到把微生物改造成擁有超高分子量的蛋白質(zhì)。