发酵罐里“酿”出青蒿素 这种技术帮人类实现“造物自由”

　　有了合成生物技术，用100立方米工业发酵罐生产出的青蒿素，与5万亩农业种植获得的产量相当。

　　如果我们食用的粮食、肉类、油脂，不需要土地种植和畜牧养殖，就可以摆脱靠天吃饭和土地资源紧张的命运；如果我们使用的汽油、制造各种化工产品的原料，不需要石油、天然气等碳基能源，就不会再担心能源枯竭和环境污染的问题；如果很多珍稀的药物成分，不需要再从植物和动物中提取，就不会担心物种灭绝和过多杀戮……这些看似天方夜谭的事情，正随着合成生物学技术的迅猛发展被逐步实现，未来我们所需的各种产品可能像酿啤酒一样，在工厂车间就能制造出来。

　　日前科技部批准建设国家合成生物技术创新中心，这将为提升我国合成生物领域企业和产业创新能力提供有力支撑。

　　创建有特定功能的“人工生物”

　　合成生物学作为新兴前沿交叉学科之一，早在2004年就被美国《麻省理工·技术评论》选为改变世界的未来十大技术之一。中国科学院天津工业生物技术研究所副所长王钦宏介绍说，合成生物学就是采用工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，创建出能完成特定功能或被赋予非自然功能的“人工生物”。它是继DNA双螺旋结构发现和基因组测序之后的“第三次生物科学革命”，促进了人类对生命密码从“读”到“写”的质变，使人类克服自然进化的局限，让设计自然为人类服务成为可能。

　　“合成生物学是在分子水平上对生命系统的重新设计和改造。”王钦宏解释说，这个过程很像IT技术，如果让计算机实现某种功能，需要很多元器件集成起来。基因就相当于具有各种功能的元器件，我们把所需要合成的目标物质的各种基因以工程化的方式设计集成，然后装入底盘细胞（目前便于遗传操控的酿酒酵母和大肠杆菌是常用的底盘细胞），被重新设计的细胞就是合成生物。以生物合成番茄红素为例，我们可以先从番茄中提取番茄红素合成所需要的所有基因，然后把这些基因重新设计组合，再装入“底盘细胞”——大肠杆菌或酿酒酵母中获得合成生物，再以葡萄糖作为原料，通过类似酿造啤酒一样的过程，生产出的番茄红素，与从番茄中提取的番茄红素完全一样。

　　这个看似简单的过程，涉及到生物学与化学、工程学、计算、生物信息学等多学科的交叉融合，此外还涉及基因组测序、基因化学合成、基因编辑、生物计算与建模、蛋白质结构解析、理性设计与定向进化、合成途径构建与调控等一系列核心技术。

　　“从2010年首个细胞生命被成功合成，到2019年实现功能性定制细胞器的合成，合成生物学不断取得重大科学突破。”王钦宏介绍说，目前合成生物技术主要应用于信号传导、能量转化、物质合成和分子识别等领域。信号传导可应用于癌症、糖尿病的智能诊疗，灵敏检测出体内的疾病；能量转化可用于人工光合作用，通过重新设计植物中光合作用系统，提高光合作用中植物对能量的吸收转化，使作物生长周期缩短，增加产量；物质合成是通过构建合成细胞工厂，实现化工、材料、能源的绿色制造；分子识别主要应用于环境检测，通过增强分子信号识别能力，提高检测的灵敏度。

　　颠覆传统产业模式

　　“传统的化学合成，主要以石油、天然气等碳基能源作为原料，在生产过程中，可能会产生大量二氧化碳和有毒有害物质。而采用合成生物技术，只需要酵母、细菌等做‘底盘’，用来自玉米淀粉的葡萄糖等做原料，就可以合成我们所需的各种物质。”王钦宏进一步介绍，此外还可以使用秸秆等植物纤维作为原料，甚至目前正在研究跳过植物光合作用合成物质的步骤，直接使用二氧化碳作为原料，完成各种生物合成。

　　“因此，合成生物技术的应用，颠覆了工业、农业、食品、医药等领域传统产业模式，为社会经济问题提供解决方案，创造价值链高端的新经济增长点。”王钦宏说，“目前合成生物技术正快速向实用化、产业化方向发展。”

　　在农产品方面，使用微生物细胞作为细胞工厂，我国已实现人参皂苷、番茄红素、灯盏花素、天麻素等众多天然产物的人工合成，形成了新的制造模式，减少了对土地的依赖和污染。以天麻素为例，其生物合成成本是植物提取的1/200、化学合成的1/2—1/3，生产效率大幅提升，质量可完全替代化学合成。王钦宏介绍说：“还有像红景天里面的主要成分红景天苷，这种成分只有在生长于海拔4000米以上的红景天中才能提取到。而通过生物合成的方式，在工厂里就可以生产了。”