合成生物开启“造物”新时代

合成生物开启“造物”新时代

□四川日报全媒体记者 高杲名词解释合成生物学是以基因工程、系统生物学、计算机工程等多学科为基础，采用工程化的设计理念，对生物体遗传物质进行设计、改造乃至全新合成，从而打破物种界限，创造人工生命体。作为近年来异军突起的新兴前沿交叉学科，合成生物学被认为是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后的第三次生物技术革命。将二氧化碳转化为糖和油，这不是什么科幻电影，而是近日发生在电子科技大学实验室的真实一幕。在实验室内，科研人员通过合成生物等技术，成功以二氧化碳为原料合成了葡萄糖和油脂，不仅回收了二氧化碳，还产生了高附加值化学品，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。这不是合成生物技术第一次展示神奇的“超能力”，过去数年火热的生物医药、人造肉、青蒿素、人造淀粉等产品，均可归于该技术的落地。近年来，随着基因编辑、人工智能等技术的不断发展，合成生物引发了新的研究浪潮。科学家对这一前沿科学寄予厚望，他们希望通过这项技术改善人类健康、应对粮食危机、缓解全球变暖等人类共同面对的问题。面对这片产业新蓝海，各地都加速抢占合成生物新风口。四川也在积极布局，在不久前的省委十二届五次全会提到，要加强合成生物学、生物技术与信息技术融合等前沿生物技术研究，吹响了抢抓产业发展的号角。颠覆改变传统思路，像搭积木一样“创造”生命人造纤维、人造卫星、人造材料……在我们的潜意识里，只要是人造的东西都是没有生命的。人类真能“创造”出生命吗？1996年，克隆羊“多利”的诞生，让人类认识到“人造生命”的可行性。但也有科研人员提出，克隆仅仅是“复制”了已有的生命体，还不是真正意义上的“创造”。随着合成生物学的发展，“创造”生命这个看似天马行空的想法正在变为现实。2010年，科学家使用合成生物技术创造出了首个人工合成的单细胞生物，并将这个原本自然界中不存在的新生命命名为“辛西娅”，意为合成儿。“‘辛西娅’的‘母亲’不再是生物，而是人类计算机。”电子科技大学生命科学与技术学院教授汤丽霞说，这颠覆了有关生命属性的经典认识。“过去，我们是认识生命、了解生命，现在是改造生命、设计生命。”为此，她打了一个比方，通过合成生物技术，可以像用积木搭造城堡一样，自由地“创造”自己所需的生命形式。“唯一的区别是，合成生物中积木不是塑料积木，而是DNA。”就像一颗石子投进了平静的湖面，人造“辛西娅”的出现，在合成生物领域泛起了一阵阵涟漪，让更多科研人员投入相关研究中。2021年，在中国科学院天津工业生物技术研究所，科学家宣布在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工全合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。1年后，电子科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学技术大学的课题组进一步拓展，将二氧化碳转化为葡萄糖和油脂，该技术以封面文章的形式发表于国际学术期刊《自然·催化》上。基础科学研究的突破带来了新技术、新方法，也为企业创新发展提供新动力。“未来有一天，利用二氧化碳来生产天然甜味剂是非常有希望的。”四川盈嘉合生科技有限公司是一家生物制造企业，公司利用合成生物技术制造天然活性成分。企业高级科学家李伟博士说，合成生物学技术变革了传统的生产方式。他以企业生产的天然甜味剂为例，相较于传统的植物提取方式，现在生产1公斤产品可节约耕地92%、减少碳排放80%、减少水资源浪费90%，且大大缩短生产周期。“过去几个月做的事现在几天内就能完成。”“合成生物技术的发展，还影响了我们的衣食住行。”从业多年，成都大学食品与生物工程学院特聘研究员程杰有一个明显的感受：合成生物产业化正在提速。“炼钢时产生的工业尾气可以变成饲料，藻类可以改造成类似石油、煤炭一样的能源……过去这些想都不敢想。”这一切的变化，源于基因编辑、人工智能两大核心技术的突破。“其中，基因编辑提升了合成生物的可行性，人工智能加速了这种可行性进程。”程杰表示，随着合成生物的发展，我们正进入一个“万物皆可造”的时代。根据麦肯锡的数据预测，到2025年，全球合成生物学与生物制造的经济价值将达到1000亿美元，未来全球60%的物质生产可通过生物制造方式实现。难题除了技术、商业堵点，还有伦理、监管等问题此前引起轰动的人工合成淀粉虽然“吸粉”无数，但却鲜有人了解，背后是全球生物学家历经十多年的反复“试错”。“就像给你一堆积木，却没有图纸告诉你拼成什么样，怎么拼？”汤丽霞说，基因编辑等技术不断发展，使得合成能力大幅提升，但设计能力却依旧有限，造成了合成生物学高度依赖海量“人工试错”的局面。“我们需要一张‘生命图纸’，来解读生命‘密码’。”设计的目的是应用，从实验室走向工厂，还有很长的路要走。“首先要面对的难题是菌株的开发。”李镇江是四川省食品发酵工业研究设计院副院长，也是成都金开生物工程有限公司董事长，从事合成生物技术对食品改造工作多年。他谈道，在实验室构造的菌株产业化是一个很大的瓶颈。“有些菌株在实验室中效果很好，但是在实际生产中并不可行，面临的环境和生产成本都不相同。”开发菌株，只是产业化的第一步。适配的设备和工艺也是一个重要环节。“如果找不到适配性的工艺参数和反应装置条件，你的菌种没办法工程化放大，往下都没你的事了。”李镇江说。要颠覆传统，合成生物还要与传统领域正面竞争。以替代蛋白为例，就要面对畜牧业、传统农业的竞争。“成本还是偏高。”程杰说，比如人造肉的成本，往往是正常肉制品的几倍甚至10多倍。“食品是日常必需品，价格过高，很难市场化。”商业之外，合成生物仍然面临法律、知识产权保护、伦理、生物安全等诸多亟待厘清的问题。“‘辛西娅’问世多年，质疑声依旧不断，一些人认为它带来了无法预料的灾难。”此外，从业人士提到，合成生物并不是一个单独的行业，具体的监管、法律等问题，需要进入落地的行业本身去讨论和规划。机遇多地争相布局，四川如何迎头赶上？作为一门新兴的跨学科研究领域，合成生物发展潜力巨大，也是各地争相布局的未来产业之一，天津、上海、深圳等地是国内合成生物学研究的主要阵地。其中，天津主要依托于中国科学院天津工业生物技术研究所，是最早建立合成生物学本科专业、硕士和博士学位点的城市之一，在工业微生物领域优势明显，近年来火热的人工合成淀粉、人工合成糖均出自中国科学院天工所。上海则主攻科研，是我国合成生物发源地之一，世界上第一个人工合成的蛋白质和全球首例人造单染色体真核细胞创建都在上海发生，并且还拥有国内第一个合成生物学重点实验室——中国科学院合成生物学重点实验室。另外在产业端，多家头部企业的总部也都设在上海。作为后起之秀，近年来，深圳的发展尤为迅速，国内首个合成生物学创新研究院、全球首个合成生物重大科技基础设施等均落地深圳，并且目前已经聚集了大量青年人才和一批合成生物学初创企业。各地都在抢滩，四川发展又如何呢？“起了个大早，赶了个晚集。”不少受访者说，四川和天津几乎同时进入合成生物赛道，但如今的发展却各不相同。“不管是创新成果还是创新应用方面，距离天津、上海、深圳等地都有一定的差距。”原因在哪？对于科研人员来说，需要政府的引导。“任何一项新技术从实验室研发到完成产业化，需要几年甚至十几年的时间，不可能一蹴而就。”中国科学院成都生物所生物环保与绿色制造中试平台相关负责人张礼霞说，这需要政府制定合成生物技术创新和产业发展行动计划。她注意到，深圳等地虽然起步较晚，但通过研究基础、产业尝试、载体支撑等探索，进入了第一梯队；青岛、合肥等地，也在技术和产业方面实现了“点”上突破。“这些都为四川发展合成生物产业，提供了经验。”对于企业而言，完善的产业链至关重要。“举个简单例子，我们要做基因组测序、基因合成等环节，往往要运到上海、北京、南京、苏州等地进行操作。”李伟说，如果缺少提供底层技术服务的企业，将会限制产品型下游企业的集聚和产业集群的形成。情况正在改善。近日，四川省科学技术厅公示了首批11家四川省中试研发平台名单，四川省微生物合成与生物制造中试研发平台名列其中。此前1个月，省委十二届五次全会提到，要加强合成生物学、生物技术与信息技术融合等前沿生物技术研究。但这些受访者也提到，目前，合成生物产业处于早期阶段，四川需要进一步找准痛点，在源头创新、平台建设、成果转化等关键环节提供护航，补齐产业发展中的缺失环节，以“串点成链”促进产业规模化提升。