科創未來丨從認識生命到設計生命，合成生物開啟“造物”新時代

名詞解釋

合成生物學：是以基因工程、系統生物學、計算機工程等多學科為基礎，采用工程化的設計理念，對生物體遺傳物質進行設計、改造乃至全新合成，從而打破物種界限，創造人工生命體。

作為近年來異軍突起的新興前沿交叉學科，合成生物學被認為是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計劃”之后的第三次生物技術革命。

在四川盈嘉合生科技有限公司，工作人員正在進行基因編輯操作

將二氧化碳轉化為糖和油，這不是什么科幻電影，而是發生在電子科技大學實驗室的真實一幕。

在實驗室內，科研人員通過合成生物等技術，成功以二氧化碳為原料合成了葡萄糖和油脂，不僅回收了二氧化碳，還產生了高附加值化學品，為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術。

這不是合成生物技術第一次展示神奇的“超能力”，過去數年火熱的生物醫藥、人造肉、青蒿素、人造淀粉等產品，均可歸于該技術的落地。

近年來，隨著基因編輯、人工智能等技術的不斷發展，合成生物引發了新的研究浪潮。科學家對這一前沿科學寄予厚望，他們希望通過這項技術改善人類健康、應對糧食危機、緩解全球變暖等人類共同面對的問題。

面對這片產業新藍海，各地都加速搶占合成生物新風口。四川也在積極布局，不久前，省委十二屆五次全會提到，要加強合成生物學、生物技術與信息技術融合等前沿生物技術研究，吹響了產業號角。

盈嘉合生的工作人員正在進行菌種發酵工藝優化操作

顛覆：

改變傳統思路，像搭積木一樣“創造”生命

人造纖維、人造衛星、人造材料……在我們的潛意識里，只要是人造的東西都是沒有生命的。人類真能“創造”出生命嗎？

1996年，克隆羊“多利”的誕生，讓人類認識到“人造生命”的可行性。但也有科研人員提出，克隆僅僅是“復制”了已有的生命體，還不是真正意義上的“創造”。

隨著合成生物學的發展，“創造”生命這個看似天馬行空的想法正在變為現實。

2010年，科學家使用合成生物技術創造出了首個人工合成的單細胞生物，并將這個原本自然界中不存在的新生命命名為“辛西婭”，意為合成兒。

“‘辛西婭’的‘母親’不再是生物，而是人類計算機。”電子科技大學生命科學與技術學院教授湯麗霞說，這顛覆了有關生命屬性的經典認識。“過去，我們是認識生命、了解生命，現在是改造生命、設計生命。”

為此，她打了一個比方，通過合成生物技術，可以像用積木搭造城堡一樣，自由地“創造”自己所需的生命形式。“唯一的區別是，合成生物中積木不是塑料積木，而是DNA。”

就像一顆石子投進了平靜的湖面，人造“辛西婭”的出現，在合成生物領域泛起了一陣陣漣漪，讓更多科研人員投入到相關研究中。

2021年，在中國科學院天津工業生物技術研究所，科學家宣布在實驗室實現了從二氧化碳到淀粉的人工全合成，使淀粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。

1年后，電子科技大學、中國科學院深圳先進技術研究院、中國科學技術大學的課題組進一步拓展，將二氧化碳轉化為葡萄糖和油脂，該技術以封面文章的形式發表于國際學術期刊《自然·催化》上。

基礎科學研究的突破帶來了新技術、新方法，也為企業創新發展提供新動力。“未來有一天，利用二氧化碳來生產天然甜味劑是非常有希望的。”四川盈嘉合生科技有限公司是一家生物制造企業，公司利用合成生物技術制造天然活性成份。企業高級科學家李偉博士說，合成生物學技術變革了傳統的生產方式。他以企業生產的天然甜味劑為例，相較于傳統的植物提取方式，現在生產1公斤產品可節約耕地92%、減少碳排放80%、減少水資源浪費90%，且大大縮短生產周期。“過去幾個月做的事現在幾天內就能完成。”

“合成生物技術的發展，還影響了我們的衣食住行。”從業多年，成都大學食品與生物工程學院特聘研究員程杰有一個明顯的感受：合成生物產業化正在提速。“煉鋼時產生的工業尾氣可以變成飼料，藻類可以改造成類似石油、煤炭一樣的能源……過去這些想都不敢想。”

這一切的變化，源于基因編輯、人工智能兩大核心技術的突破。“其中，基因編輯提升了合成生物的可行性，人工智能加速了這種可行性進程。”程杰表示，隨著合成生物的發展，我們正進入一個“萬物皆可造”的時代。根據麥肯錫的數據預測，到2025年，全球合成生物學與生物制造的經濟價值將達到1000億美元，未來全球60%的物質生產可通過生物制造方式實現。

成都金開生物工程有限公司工程技術中心，研發人員正在檢測分析發酵液狀態

難題：

除了技術、商業堵點，還有倫理、監管等問題

此前引起轟動的人工合成淀粉雖然“吸粉”無數，但卻鮮有人了解，背后是全球生物學家歷經十多年的反復“試錯”。

“就像給你一堆積木，卻沒有圖紙告訴你拼成什么樣，怎么拼？”湯麗霞說，基因編輯等技術不斷發展，使得合成能力大幅提升，但設計能力卻依舊有限，造成了合成生物學高度依賴海量“人工試錯”的局面。“我們需要一張‘生命圖紙’，來解讀生命‘密碼’。”

設計的目的是為了應用，從實驗室走向工廠，還有很長的路要走。“首先要面對的難題是菌株的開發。”李鎮江是四川省食品發酵工業研究設計院副院長，也是成都金開生物工程有限公司董事長，從事合成生物技術對食品改造工作多年。他談到，在實驗室構造的菌株能否產業化是一個很大的瓶頸。“有些菌株在實驗室中效果很好，但是在實際生產中并不可行，面臨的環境和生產成本都不相同。”

開發菌株，只是產業化的第一步。適配的設備和工藝也是一個重要環節。“如果找不到適配性的工藝參數和反應裝置條件，你的菌種沒辦法工程化放大，往下都沒你的事了。”李鎮江說。

要顛覆傳統，合成生物還要與傳統領域正面競爭。以替代蛋白為例，就要面對畜牧業、傳統農業的競爭。“成本還是偏高。”程杰說，比如人造肉的成本，往往是正常肉制品的幾倍甚至10多倍。“食品是日常必需品，價格過高，很難市場化。”

商業之外，合成生物仍然面臨法律、知識產權保護、倫理、生物安全等諸多亟待厘清的問題。

“‘辛西婭’問世多年，但質疑聲依舊不斷，一些人認為它帶來了無法預料的災難。”此外，從業人士提到，合成生物并不是一個單獨的行業，具體的監管、法律等問題，需要進入落地的行業本身去討論和規劃。

機遇：

多地爭相布局，四川如何迎頭趕上？

作為一門新興的跨學科研究領域，合成生物發展潛力巨大，也是各地爭相布局的未來產業之一，天津、上海、深圳等地是國內合成生物學研究的主要陣地。

其中，天津主要依托于中國科學院天津工業生物技術研究所，是最早建立合成生物學本科專業、碩士和博士學位點的城市之一，在工業微生物領域優勢明顯，近年來火熱的人工合成淀粉、人工合成糖均出自中國科學院天工所。

上海則主攻科研，是我國合成生物發源地之一，世界上第一個人工合成的蛋白質和全球首例人造單染色體真核細胞創建都在上海發生，并且還擁有國內第一個合成生物學重點實驗室——中國科學院合成生物學重點實驗室。另外在產業端，多家頭部企業的總部也都設在上海。

作為后起之秀，近年來，深圳的發展尤為迅速，國內首個合成生物學創新研究院、全球首個合成生物重大科技基礎設施等均落地深圳，并且目前已經聚集有大量青年人才和一批合成生物學初創企業。

各地都在搶灘，四川發展又如何呢？

“起了個大早，趕了個晚集。”不少受訪者說，四川和天津幾乎同時進入合成生物賽道，但如今的發展卻各不相同。“不管是創新成果還是創新應用方面，距離天津、上海、深圳等地都有一定的差距。”

原因在哪？對于科研人員來說，需要政府的引導。“任何一項新技術從實驗室研發到完成產業化，需要幾年甚至十幾年的時間，不可能一蹴而就。”中國科學院成都生物研究所生物環保與綠色制造中試平臺相關負責人張禮霞說，這需要政府制定合成生物技術創新和產業發展行動計劃。

她注意到，深圳等地雖然起步較晚，但通過研究基礎、產業嘗試、載體支撐等探索，進入了第一梯隊；青島、合肥等地，也在技術和產業方面實現了“點”上突破。“這些都為四川發展合成生物產業，提供了經驗。”

對于企業而言，完善的產業鏈至關重要。“舉個簡單例子，我們要做基因組測序、基因合成等環節，往往要運到上海、北京、南京、蘇州等地進行操作。”李偉說，如果缺少提供底層技術服務的企業，將會限制產品型下游企業的集聚和產業集群的形成。

情況正在改善。近日，四川省科學技術廳公示了首批11家四川省中試研發平臺名單，四川省微生物合成與生物制造中試研發平臺名列其中。此前1個月，省委十二屆五次全會提到，要加強合成生物學、生物技術與信息技術融合等前沿生物技術研究。

但這些受訪者也提到，目前，合成生物產業處于早期的階段，四川需要進一步找準“痛點”，在源頭創新、平臺建設、成果轉化等關鍵環節提供護航，補齊產業發展中的缺失環節，以“串點成鏈”促進產業規?；嵘?。（圖片由受訪者供圖）

記者： 高杲

來源：川觀新聞