发酵罐“酿造”青蒿素技术帮助人类实现“创造自由”
利用合成生物技术，100立方米工业发酵罐生产的青蒿素相当于5万亩农业种植获得的产量。
如果我们吃的粮、肉、油不需要土地种植和畜牧业，就可以摆脱靠天吃饭的命运和土地资源的短缺；如果我们不再需要石油、天然气等碳基能源来使用汽油和制造各种化工产品的原料，我们就不再担心能源枯竭和环境污染；如果很多稀有的药物成分不再从动植物中提取，我们就不会担心物种灭绝、过度捕杀等看似不可能的事情。随着合成生物技术的飞速发展，未来我们需要的各种产品都可能像酿造啤酒一样在工厂车间里制造出来。
近日，科技部批准建设国家合成生物技术创新中心，将为提升我国合成生物学领域企业和产业的创新能力提供有力支撑。
创造具有特定功能的“人造生物”
合成生物学作为新兴的前沿交叉学科之一，2004年被《麻省理工科技评论》评选为未来改变世界的十大技术之一。中国科学院天津工业生物技术研究所副所长王说，合成生物学就是采用工程设计理念，设计、改造甚至重组有目标的生物，从而创造出能完成特定功能或被赋予非自然功能的“人造生物”。它是继DNA双螺旋结构和基因组测序发现之后的“第三次生物学革命”，推动了人类生命密码从“读”到“写”的质变，使人类能够克服自然进化的局限性，使设计为人类自然服务成为可能。
"合成生物学是在分子水平上重新设计和改造生命系统."王解释说，这个过程与IT技术非常相似。如果一台计算机能实现某种功能，需要集成很多组件。基因相当于具有各种功能的组件。我们用工程化的方式设计整合待合成的目标物质的基因，然后放入底盘细胞。重新设计的细胞是合成生物。以番茄红素的生物合成为例，我们可以先从番茄中提取番茄红素合成所需的所有基因，然后将这些基因重新设计组合，再放入“底盘细胞”——大肠杆菌或酿酒酵母中，获得合成生物，然后以葡萄糖为原料，通过类似酿造啤酒的过程生产番茄红素，这与从番茄中提取的完全相同。
这个看似简单的过程，涉及生物与化学、工程、计算、生物信息学等学科的交叉融合，以及基因组测序、基因化学合成、基因编辑、生物计算与建模、蛋白质结构分析、理性设计与定向进化、合成途径的构建与调控等一系列核心技术。
“从2010成功合成第一个细胞生命，到2019合成功能性定制细胞器，合成生物学不断取得重大科学突破。”王说，目前，合成生物技术主要应用于信号转导、能量转换、物质合成和分子识别。信号转导可以应用于癌症和糖尿病的智能诊断和治疗，可以灵敏地检测体内的疾病；能量转换可用于人工光合作用。通过重新设计植物体内的光合作用系统，可以提高植物在光合作用中对能量的吸收和转化，从而缩短作物的生长周期，提高产量。材料合成是通过建设合成细胞工厂，实现化学品、材料、能源的绿色制造；分子识别主要用于环境检测，通过增强分子信号的识别能力来提高检测的灵敏度。
颠覆传统产业模式
“传统的化学合成主要以石油、天然气等碳基能源为原料。在生产过程中，可能会产生大量的二氧化碳和有毒有害物质。利用合成生物技术，我们只需要酵母、细菌等。作为‘底盘’和来自玉米淀粉的葡萄糖为原料，所以我们可以合成我们需要的各种物质，”王进一步介绍，此外，还可以利用秸秆等植物纤维为原料，甚至正在研究利用植物光合作用合成物质的步骤，直接利用二氧化碳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、食品和医药领域的传统产业模式，为社会和经济问题提供了解决方案，并在价值链的高端创造了新的经济增长点。”王说，“目前，合成生物技术正迅速向实用化和产业化发展。”
在农产品方面，利用微生物细胞作为细胞工厂，我国实现了人参皂苷、番茄红素、灯盏花素、天麻素等多种天然产物的人工合成，形成了新的制造模式，减少了对土地和污染的依赖。以天麻素为例，其生物合成成本为植物提取的1/200，化学合成的1/2-1/3，大大提高了生产效率，完全可以替代化学合成。王说:“还有红景天中的主要成分红景天苷，只有生长在海拔4000多米的红景天中才能提取出来。通过生物合成，可以在工厂生产。”
在石化产品方面，中国创造了一批丁二酸、丙氨酸、苹果酸等化学品合成的生物制造路线，颠覆了对石油、天然气等传统资源的依赖和高污染的传统化工工艺。“以丙氨酸为例，我国在世界上率先建成了万吨级L-丙氨酸生物合成路线。与化学合成路线相比，生产成本降低50%，废水排放量和能耗分别降低90%和40%。”王对说道。
在化工原料方面，实现了羟脯氨酸、肌醇、左旋多巴、维生素B12的绿色新工艺。以肌醇为例，合成生物法与传统工艺相比，高磷废水排放量减少90%以上，成本降低50%以上。
在传统产业改造中，生物纺织、生物造纸、生物脱胶等绿色生物工艺的应用，实现了二氧化碳减排，减少了污水排放，促进了传统产业走出资源和环境的约束。
快速发展，但亟待突破瓶颈
尽管国际上合成生物学研究发展迅速，合成生物学的底层技术、生物体系构建和实用技术都发生了革命性的变化，但合成生物技术实现产业化、降低成本、提高与传统生产模式的竞争力非常重要。“例如，美国合成生物学家设计并构建了能够生产抗疟药青蒿素的人工酵母细胞。其技术能力可实现100立方米工业发酵罐的生产，相当于5万亩农业种植的生产，使抗疟药成本降低90%，是合成生物技术的一大应用模式。”王对说道。
“中国在合成生物学领域起步稍晚，但进步很快。目前，我国合成生物学研究在基础科研论文发表数量和技术专利申请数量方面已经位居世界第二。”王说，不久前，合成生物学领域的两大盛会——“2019代谢工程国际会议”和“第十届中国工业生物技术发展高峰论坛暨第四届生物产业投资大会”在天津召开。会上，代谢工程创始人之一延斯·纳尔逊(Jens Nelson)表示，中国在全球代谢工程领域正发挥着越来越重要的作用。同时发布了《中国工业生物技术2019》白皮书，全面总结了近年来我国工业生物技术在基础研究、应用研究、技术转化、产业发展等方面的进展和成就。
“但与美国相比，我国在基础理论、核心体系、产业技术等方面还有很大差距。”王坦言，这主要表现在原创性的标志性著作很少，没有出现类似“人工生命”和青蒿素合成的重大突破；合成生物设计创造的技术方法体系不完善，组件标准化和通用性存在差距，导致核心技术和关键设备对外依存度较高；从基础研究到应用技术创新，要更好地衔接，从需求上调和核心科学问题，推动合成生物技术的颠覆性创新和工程化应用，支撑生物产业发展。
目前，在自主细胞工厂创建的机制和分子基础方面，在DNA合成、生物成分标准化、基因编辑系统、合成生物理性设计等底层核心技术建设方面，高通的定量化、自动化系统技术平台建设还存在不足，急需突破技术瓶颈，占领国际竞争制高点。
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