作者介紹：元英進，合成生物學(xué)研究者，中國科學(xué)院院士，天津大學(xué)教授。創(chuàng)新群體負責(zé)人，“973”項目首席，合成生物學(xué)重點研發(fā)專項執(zhí)行專家組組長，教育部“珠峰計劃”合成生物學(xué)前沿科學(xué)中心主任，《合成生物學(xué)》主編。主要從事合成生物學(xué)研究工作，建立了酵母基因組混菌標(biāo)簽缺陷定位及雙標(biāo)靶向精準修復(fù)方法，成功化學(xué)合成出五號和十號兩條酵母長染色體；還開發(fā)出基因組重排控制方法，創(chuàng)制高產(chǎn)酵母菌株，實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，打通了基因組合成從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的鏈條。獲“中國科學(xué)十大進展”、侯德榜化工科技成就獎等。受外交部委托，牽頭草擬和組織國際研討，形成《科學(xué)家生物安全行為準則天津指南》，獲國際科學(xué)院組織核可，并被世衛(wèi)組織確定為高級別原則。

1 綠色生物制造是新質(zhì)生產(chǎn)力的重要源泉

習(xí)近平總書記強調(diào)，必須繼續(xù)做好創(chuàng)新這篇大文章，推動新質(zhì)生產(chǎn)力加快發(fā)展。2024年全國政府工作報告明確提出，要積極打造生物制造等新增長引擎。生物制造是以合成生物學(xué)等前沿技術(shù)為基礎(chǔ)的物質(zhì)先進生產(chǎn)方式，利用微生物、細胞、酶等生命體的代謝機能或催化功能，結(jié)合化學(xué)工程技術(shù)或發(fā)酵技術(shù)實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品的制造，以其原料的可再生性、生產(chǎn)過程的清潔與高效性的特點脫穎而出。這種新型的生產(chǎn)模式正在逐步減少對化石原料的依賴，特別是在化工、醫(yī)藥、能源和輕工等傳統(tǒng)制造業(yè)中。展望未來，生物制造有望徹底革新物質(zhì)加工和生產(chǎn)模式，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)走向更加綠色、可持續(xù)的發(fā)展道路。

合成生物學(xué)是生物制造的核心技術(shù)之一，通過設(shè)計合成生命體，定向改造生命體高效代謝系統(tǒng)，在生物體內(nèi)或體外高效合成物質(zhì)和材料。麥肯錫的深入分析揭示了一個引人注目的趨勢①：預(yù)計至2025年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟影響將迅猛攀升至1 000億美元。未來10～20年可能對全世界每年產(chǎn)生2萬億至4萬億美元的影響，這一預(yù)測彰顯了綠色生物制造作為新興生產(chǎn)力的強大動力。美國、英國和澳大利亞等西方發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展路線圖和相關(guān)規(guī)劃，并投入巨額資金以支持合成生物學(xué)與生物制造的研究和開發(fā)工作，以期在這一前沿領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。同時，由于生物制造產(chǎn)業(yè)需要依靠多種底層技術(shù)的進步，對基因測序、基因設(shè)計與合成、基因編輯、酶的設(shè)計與改造、代謝工程等眾多下游領(lǐng)域具備強勁的帶動效應(yīng)和廣闊的應(yīng)用前景。隨著底層技術(shù)的重大突破和轉(zhuǎn)化，即將迎來井噴式增長，加之碳中和等積極政策的推動以及綠色消費趨勢的興起，可以預(yù)計，未來3～5年將是綠色生物制造迎來跨越式發(fā)展的關(guān)鍵時期。根據(jù)習(xí)近平總書記指示精神，搶抓綠色生物制造發(fā)展機遇，服務(wù)新質(zhì)生產(chǎn)力是一項十分要緊的工作。

2 綠色生物制造具有新質(zhì)生產(chǎn)力的典型特征

第一，綠色生物制造具有典型的前沿顛覆性特征。與傳統(tǒng)生物學(xué)采用“自上而下”還原論研究范式不同，綠色生物制造以合成生物學(xué)為底層技術(shù)，采用全新的從“局部到整體”的研究范式和理論方法，利用工程學(xué)的概念和思想，系統(tǒng)設(shè)計理論，設(shè)計創(chuàng)建標(biāo)準化、正交性、適配性的基因和蛋白等元器件和功能模塊，通過闡明人工系統(tǒng)的人工設(shè)計構(gòu)建原理與方法，工程改造和優(yōu)化現(xiàn)有自然生物體系，乃至設(shè)計合成具有預(yù)定功能的全新人工生命。綠色生物制造通過闡釋新生命功能的設(shè)計構(gòu)建原理，解決合成生物系統(tǒng)中的相容與適配性、穩(wěn)定性、定量預(yù)測性和可控性等核心科學(xué)問題，從而突破自然體系的限制、加深人類對生命本質(zhì)的理解，是目前生命科學(xué)最具前沿性的科技領(lǐng)域之一。

第二，綠色生物制造引領(lǐng)多學(xué)科交叉創(chuàng)新。綠色生物制造展示出了與化工、化學(xué)、材料、食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及信息技術(shù)等多學(xué)科交叉共融的屬性，衍生出了一大批新技術(shù)與新方法，在原有學(xué)科基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的增長點。①綠色生物制造與化工學(xué)科交叉，推動傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)邁向綠色化、高效化，實現(xiàn)生物燃料、生物基材料等綠色可持續(xù)生物制造和產(chǎn)品的迭代轉(zhuǎn)變。②綠色生物制造與化學(xué)學(xué)科交叉，推動基礎(chǔ)研究涌現(xiàn)出多種革命性的突破，如生物正交化學(xué)（2022年諾貝爾化學(xué)獎）、高保真DNA合成（人工酵母染色體）、定向進化（2018年諾貝爾化學(xué)獎）等。③綠色生物制造與醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)W科交叉，賦能新藥的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計、篩選與合成，并在超靈敏疾病診斷、精準藥物遞送以及基于基因編輯的精準醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得突破。④綠色生物制造與食品、農(nóng)業(yè)等學(xué)科的交叉，在功能性食品添加劑生物合成、生物農(nóng)藥、生物育種等方面表現(xiàn)出了巨大的市場潛力。⑤綠色生物制造與人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的高度融合，一方面極大增強了合成生物系統(tǒng)設(shè)計、構(gòu)建及分析能力，另一方面有望在DNA存儲、DNA計算方向大幅度提升信息科學(xué)計算與存儲能力（DNA存儲密度高、能耗低，存儲潛力是傳統(tǒng)硬盤存儲介質(zhì)的1 000萬倍）。因此，綠色生物制造在與更多的學(xué)科實現(xiàn)交叉創(chuàng)新過程中催發(fā)出新質(zhì)生產(chǎn)力。

第三，綠色生物制造產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)明顯。合成生物產(chǎn)業(yè)變革原有的生產(chǎn)方式、原料來源與產(chǎn)品形式，被認為將引領(lǐng)新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。據(jù)統(tǒng)計，近年來中國涌現(xiàn)出超過900家技術(shù)型公司、平臺型公司、產(chǎn)品型公司等類型的生物企業(yè)②。①在化工、能源和材料等領(lǐng)域，綠色生物制造催生出的生物航煤、PHA聚酯材料等新型綠色產(chǎn)品，打破了原有石化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不再依賴石油資源，實現(xiàn)生物質(zhì)原料的可循環(huán)再生，在建立生物制造產(chǎn)業(yè)新賽道的同時，有效減少二氧化碳的排放與環(huán)境污染，實現(xiàn)化學(xué)品制造業(yè)的清潔、綠色、低碳、安全、高效化轉(zhuǎn)變。②在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，綠色生物制造通過基因編輯超級植物、生物飼料、人造肉、人造奶及功能食品甜味劑和香料，利用微生物生產(chǎn)各種功能分子，使自然界中含量極低的物質(zhì)能夠被大量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于化妝品、保健品與藥品等行業(yè)，極大豐富了社會需求。③在環(huán)保產(chǎn)業(yè)，通過綠色生物制造改造的微生物可以實現(xiàn)塑料、有害物質(zhì)的降解。在醫(yī)療行業(yè)，綠色生物制造除了生產(chǎn)藥物，還能夠通過基因編輯治療各種疾病。

3 加速綠色生物制造形成新質(zhì)生產(chǎn)力

一是加強頂層戰(zhàn)略規(guī)劃，重視基礎(chǔ)研究和技術(shù)產(chǎn)業(yè)的宏觀部署。按照國家相關(guān)科技計劃，加大財政支持力度，論證和制定綠色生物制造科技發(fā)展規(guī)劃，在加強綠色生物制造基礎(chǔ)研究和生物產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究的同時，積極搶占未來國際前沿制高點。建議國家在更加精確的基因設(shè)計合成、生物部件的標(biāo)準化和模塊化設(shè)計與調(diào)控、人造生命系統(tǒng)的建模和仿真以及生物封存的安全性強化等領(lǐng)域加快超前布局。面向重大應(yīng)用需求，建議優(yōu)先開展以綠色生物制造技術(shù)生產(chǎn)生物基材料，減少經(jīng)濟對石油的依賴；增強農(nóng)作物的固碳和固氮能力，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和其抗逆性，促進我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；加速建立新型醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，促進個性化藥物設(shè)計、個體化治療。重視高校在工程學(xué)、計算機科學(xué)、物理、化學(xué)以及信息學(xué)等領(lǐng)域的跨學(xué)科整合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，培育起一批綠色生物制造科研隊伍和國家戰(zhàn)略人才體系，緊跟世界最新科技進展，及早實現(xiàn)我國在綠色生物制造領(lǐng)域的并跑與領(lǐng)跑。

二是強化應(yīng)用推廣，系統(tǒng)性建立科技成果轉(zhuǎn)化機制。由于綠色生物制造涉及較多領(lǐng)域，從技術(shù)到商業(yè)邏輯驗證較為漫長，鼓勵高校、科研機構(gòu)與初創(chuàng)企業(yè)成立聯(lián)合機構(gòu)開展多方協(xié)作，積極培育高價值專利，打通前沿科技成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化路徑，使更多科技成果從樣品變成產(chǎn)品、形成產(chǎn)業(yè)。由于菌株等成果很容易流失或竊取，支持構(gòu)建知識產(chǎn)權(quán)快速協(xié)同保護體系。加大生物技術(shù)與經(jīng)濟的對接，推動生物基礎(chǔ)研究成果的產(chǎn)業(yè)化，以產(chǎn)業(yè)需求帶動制造業(yè)發(fā)展，以技術(shù)創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)核心競爭力的提升，帶動形成上中下游完備的產(chǎn)業(yè)鏈。加強對科研項目的轉(zhuǎn)化配置，提升轉(zhuǎn)化專項部門與基金的供給。對相關(guān)的研究給予轉(zhuǎn)化結(jié)果的目標(biāo)考核，真正關(guān)注生物技術(shù)發(fā)展的實用性，拓寬轉(zhuǎn)化對象推廣應(yīng)用的指標(biāo)率目錄。

三是超前布局綠色生物制造產(chǎn)業(yè)鏈，提供持續(xù)性的優(yōu)惠扶持政策。經(jīng)歷二十多年跨越式發(fā)展，綠色生物制造正經(jīng)歷著從基礎(chǔ)科學(xué)研究到商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展過程，面對顛覆性技術(shù)落地、配套設(shè)施與設(shè)備的協(xié)調(diào)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)與研究人才的培養(yǎng)、完善現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系等問題，需要對綠色生物制造進行全鏈條布局。同時，綠色生物制造領(lǐng)域由于其前沿性和創(chuàng)新性，研發(fā)投入和試錯成本極高。從研發(fā)投入到產(chǎn)業(yè)落地的整個周期較長，需要國家和地方政府在資金、人才、政策等方面提供持續(xù)性的優(yōu)惠支持。建議加大來自國家、地方政府、企業(yè)和風(fēng)險投資的資金注入，加強企業(yè)融資渠道的多元化改革，做好科技金融工作，放寬中小企業(yè)資本融通渠道和貸款條件，并通過有條件地設(shè)立政府中小企業(yè)擔(dān)?；鸹蛘邔ｍ棑芸睿龑?dǎo)金融資本投早、投小、投長期、投硬科技，降低合成生物產(chǎn)業(yè)企業(yè)的資金壓力，并布局天使基金及產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)基金等助推企業(yè)進一步發(fā)展。

四是專項資金扶持重點高校建設(shè)大型研究設(shè)施，支撐產(chǎn)業(yè)行業(yè)科技創(chuàng)新。亟須加強對綠色生物制造技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計，加快推進創(chuàng)新鏈建設(shè)，進一步加強對基礎(chǔ)研究的投入，大力推動產(chǎn)業(yè)鏈與創(chuàng)新鏈的雙向互動。建議國家發(fā)改委會同教育主管部門，設(shè)立專項基金資助國內(nèi)綠色生物制造優(yōu)勢高校，建設(shè)若干集“設(shè)計—構(gòu)建—測試—糾錯—學(xué)習(xí)”等功能于一體的智能化、全鏈條、一站式的綠色生物制造研究基礎(chǔ)設(shè)施，目標(biāo)打造世界最先進的DNA與細胞設(shè)計、合成和功能實現(xiàn)能力，注重從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵核心技術(shù)到產(chǎn)業(yè)支撐的全面轉(zhuǎn)化，聚焦生物智能設(shè)計、DNA合成與組裝、基因組化學(xué)再造、細胞工廠構(gòu)建、DNA信息存儲與讀取五大功能，進一步提升我國綠色生物制造在生物安全、信息存儲、生物育種等領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力以支撐產(chǎn)業(yè)行業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

4 結(jié)語

新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展被視為推動高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需求和重要著力點，而綠色生物制造是新質(zhì)生產(chǎn)力實現(xiàn)的重要方式和主要抓手，作為一門跨學(xué)科的新興科學(xué)，其核心理念是將生物學(xué)的復(fù)雜性簡化為標(biāo)準化、模塊化的部件，這些部件可以被重新組合以創(chuàng)造新的生命形式或改造現(xiàn)有生命形式。

生產(chǎn)制造領(lǐng)域迅猛發(fā)展，可生產(chǎn)多種高價值代謝產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于藥品、保健品、食品等行業(yè)。相比之下，大宗化學(xué)品及其衍生物由于底物受限、成本高昂、經(jīng)濟性差等主要原因發(fā)展速度未達預(yù)期。因此，需要大力發(fā)展非糧原料，探索新型固碳方式，以解決資源爭奪和環(huán)境問題。綠色生物制造主要以自然生物為基礎(chǔ)，而大多數(shù)化學(xué)品缺乏天然合成途徑，這是未來發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)，但也意味著巨大的發(fā)展機遇。綠色生物制造可將人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)融入自身體系，通過生物合成途徑規(guī)?；馕?、元件庫建設(shè)、生物途徑高通量組裝和優(yōu)化等，構(gòu)建全新合成途徑，從而降低生產(chǎn)成本、保護生態(tài)環(huán)境。

綠色生物制造的未來充滿了無限的可能性，將為人類社會帶來巨大的變革和進步。然而，這也需要我們共同努力，解決技術(shù)、倫理、安全等方面的挑戰(zhàn)，確保綠色生物制造的發(fā)展能夠造福人類，促進全球的可持續(xù)發(fā)展。

①麥肯錫全球研究院（McKinsey Global Institute，MGI）。The bio revolution： innovations transforming economies， societies， and our live，2020。https：//www.mckinsey.com/industries/life-sciences/our-insights/the-bio-revolution-innovations-transforming-economies-societies-and-our-lives。

②創(chuàng)業(yè)邦。2022年中國合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告， 2023。https：//m.sgpjbg.com/baogao/114457.html。