萬物可創(chuàng)：合成生物學應(yīng)用前景廣闊

文·圖/李偉

合成生物學應(yīng)用前景廣闊

改造微生物

合成生物學應(yīng)用于人造食品領(lǐng)域

剛剛過去的2022年，被視為合成生物學應(yīng)用大爆發(fā)“元年”，各個領(lǐng)域的突破為合成生物學技術(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

合成生物學區(qū)別于傳統(tǒng)生命科學（如基因科學、微生物學、生物化學等）的核心是其“工程學本質(zhì)”——按照人們的需求，設(shè)計出相應(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)歷漫長的過程，在億萬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，科學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10—20年，合成生物學每年對材料、化學和能源等產(chǎn)業(yè)的直接和間接經(jīng)濟影響，可能在2000億—3000億美元之間。

中美兩國對合成生物學的布局都較早，已發(fā)布多幅科技路線圖，包括“半導(dǎo)體合成生物學”“工程生物學”“微生物組”“工程生物學與材料科學”等。這些路線圖關(guān)注跨學科的交叉融合，進一步明確了合成生物學未來20年的發(fā)展方向和目標。

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，遠比化學農(nóng)藥高效、安全，且對環(huán)境更為友好，在植物病蟲害防控及保護糧食安全領(lǐng)域具有不可或缺的作用。

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

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

在食品開發(fā)領(lǐng)域，合成生物學已經(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)進行微生物發(fā)酵，再吐出來，即形成蜂蜜。利用合成生物學技術(shù)，可以把微生物放入培養(yǎng)體系，模擬蜜蜂體內(nèi)的發(fā)酵過程。應(yīng)用合成生物學的目的不只在于節(jié)省成本、提高效率，還有更深遠的意義。仍以人造蜂蜜為例。大規(guī)模養(yǎng)蜂容易對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，就有利于更好地保護生物多樣性。

醫(yī)療領(lǐng)域

在治療癌癥方面，合成生物學的思路是改造微生物，將特定的微生物轉(zhuǎn)化成更具針對性、更智能、更高效的抗癌“武器”。被改造過的微生物一方面能夠“喚醒”人體自身的免疫細胞，讓它們積極工作；另一方面能幫忙運送藥物分子。目前一些人造微生物已進入臨床治療前的試驗研究階段，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，合成生物學也有用武之地。美國麻省理工學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。當這塊生物材質(zhì)接觸特定的物質(zhì)時，植入的微生物就會因受到刺激而發(fā)光，提醒研究人員，“有某種化學分子存在”。該技術(shù)可用于檢測有毒物質(zhì)、病原體、過敏源，甚至可以通過皮膚對患者作初步的醫(yī)療診斷。

醫(yī)美是當下頗具經(jīng)濟前景的一條賽道。利用合成生物學技術(shù)實現(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，新能源概念逐漸深入人們的日常生活。為了減輕對污染環(huán)境的化石能源的依賴，人們一直尋求無污染的新能源。除了耳熟能詳?shù)娘L能、太陽能外，生物能源也是重要的探索方向。

萬物可創(chuàng)

光合作用對空氣中碳元素的利用率接近100%，但整個過程的能量轉(zhuǎn)換效率較低，一般在5%以下。利用合成生物學技術(shù)，情況就完全不同了。科學家探索將固態(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。在另一些研究中，科學家試圖改進微生物對糖的利用效率，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想變?yōu)楝F(xiàn)實。

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技術(shù)進行改進。例如氫燃料電池具備高效、清潔的特點，但其成本較高，因為要用一些貴金屬來做催化劑。利用合成生物學，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）充當催化劑。如此一來，氫燃料電池的成本就能夠大幅下降。

人類對特殊生物材料及其性能抱有濃厚的興趣。比如蜘蛛絲的機械性能，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，因為蛛絲蛋白、肌連蛋白等超高分子量的蛋白質(zhì)，分子信息量過大，難以人工合成。借助合成生物學的發(fā)展，科學家可以把海洋貽貝的黏液分泌腺體摘出來單獨培養(yǎng)，或者直接用工程細胞來仿制，直到把微生物改造成擁有超高分子量的蛋白質(zhì)。