《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》3月10日訊（記者 徐紅）作為近年來(lái)霸屏投資圈的當(dāng)紅概念，合成生物制造離我們很遠(yuǎn)，也很近。

一方面，從L-丙氨酸、1,3-丙二醇等生物基化工品，到人造肉、醫(yī)美用玻尿酸、護(hù)膚品原料角鯊?fù)?.....基于生物合成法生產(chǎn)的產(chǎn)品正在越來(lái)越頻繁地走入我們的日常生活，輻射醫(yī)療健康、化工、能源、材料、食品消費(fèi)、美妝護(hù)膚、農(nóng)業(yè)等眾多細(xì)分領(lǐng)域。

但與此同時(shí)，合成生物技術(shù)又有著天方夜譚般不真實(shí)的一面：“空氣不僅可以變面條，還能變油、變葡萄糖”、“一種在市場(chǎng)上頗受歡迎的魚(yú)飼料蛋白，竟然是用鋼鐵廠煉鋼時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)尾氣生產(chǎn)出來(lái)的”......近年來(lái)，類似這樣的新聞可謂層出不窮。

生物制造如何能從現(xiàn)實(shí)走向超現(xiàn)實(shí)？2024年，隨著新質(zhì)生產(chǎn)力成為開(kāi)年熱詞，《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》聚焦合成生物。

▌生物合成新高度：憑空造物

“如果人類某種意義上可以獲得近乎無(wú)限的能源，是否可以以此憑空制造物品？”在網(wǎng)上曾有人這樣問(wèn)道。

“憑空造物”的想法看似天馬行空，但實(shí)際上并非遙不可及的一個(gè)夢(mèng)。

近年來(lái)，合成生物學(xué)最激動(dòng)人心的一項(xiàng)成果莫過(guò)于二氧化碳人工合成淀粉。2021年9月24日，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所宣布，成功在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的人工全合成。這在國(guó)際上是首次，相關(guān)成果并在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

眾所周知，淀粉是糧食最主要的成分，也是人類最主要的食物來(lái)源。但農(nóng)作物的種植通常需要比較長(zhǎng)的周期，同時(shí)還需要使用大量土地、淡水等資源，以及肥料、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。二氧化碳則是大氣中的主要溫室氣體之一，也是存量幾近無(wú)限的碳資源。

因此，如果能夠不依賴作物種植，使用空氣中的二氧化碳就能合成淀粉，這對(duì)于糧食安全和氣候變化都會(huì)有著非常巨大的意義。

在合成生物領(lǐng)域，類似這樣“憑空造物”的場(chǎng)景其實(shí)還有很多，有一些甚至已經(jīng)走出了實(shí)驗(yàn)室。 “憑空造物”，也可以說(shuō)是第三代合成生物技術(shù)希望達(dá)到的高度。

“所謂第三代合成生物制造技術(shù)，就是在風(fēng)能、光能、水能等可再生能源驅(qū)動(dòng)下，以CO?、甲烷、CO等一碳化合物做為原料，去實(shí)現(xiàn)高附加值產(chǎn)品的生物合成。”上海光玥生物科技有限公司創(chuàng)始人、上海交通大學(xué)生命學(xué)院/張江高等研究院特別研究員、長(zhǎng)聘教軌副教授倪俊告訴《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》記者，合成生物技術(shù)歷經(jīng)三代革新，而三代技術(shù)的核心區(qū)別就在于煉制原料的不同。

其中，第一代技術(shù)以葡萄糖及油脂等有機(jī)碳源為原料，主要依賴玉米等糧食或甘蔗等經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行生產(chǎn)，因此存在與人爭(zhēng)糧的問(wèn)題。第二代技術(shù)的原料發(fā)展為非糧食類生物質(zhì)，包括谷物秸稈、甘蔗渣等。

“目前在全球范圍內(nèi)，第一代合成生物技術(shù)仍是主流，但積極布局二代、三代技術(shù)的企業(yè)也在慢慢增多?！蹦呖「嬖V《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》記者。

▌吃CO?的藍(lán)藻細(xì)胞工廠

合成生物制造，有別于傳統(tǒng)的化學(xué)制造，由于其生產(chǎn)過(guò)程具有清潔、高效、可再生等特點(diǎn)，被認(rèn)為具有引領(lǐng)“第四次工業(yè)革命”的潛力，因此成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。據(jù)麥肯錫McKinsey統(tǒng)計(jì)，生物制造的產(chǎn)品可以覆蓋70%化學(xué)制造的產(chǎn)品，并在繼續(xù)拓展邊界。

在我國(guó)，生物制造同樣被列為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是提升新質(zhì)生產(chǎn)力的重要手段之一。

2024年政府工作報(bào)告提出“積極打造生物制造、商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)等新增長(zhǎng)引擎”，這是“生物制造”首次被寫入政府工作報(bào)告。自2018年以來(lái)亦有相關(guān)支持政策密集出臺(tái)，廣東、湖北、山西、江蘇、北京、上海、天津、深圳、杭州等多個(gè)省、市紛紛發(fā)布了合成生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

乘著政策東風(fēng)，這個(gè)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始迎來(lái)越來(lái)越多的參與者。毗鄰上海交通大學(xué)，坐落于淡水河畔科技園一隅，上海光玥生物科技有限公司（下稱“光玥生物”）正是其中的一家初創(chuàng)企業(yè)，也是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的正在開(kāi)發(fā)第三代合成生物技術(shù)的企業(yè)。

傳統(tǒng)的細(xì)胞工廠主要是改造大腸桿菌、酵母菌等，而光玥生物轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)了基于光合微生物發(fā)展起來(lái)的光合細(xì)胞工廠（如藍(lán)藻細(xì)胞工廠），光合細(xì)胞工廠不再使用葡萄糖作為底物，而是直接利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)CO?來(lái)合成產(chǎn)物，這就是光玥生物的“光驅(qū)動(dòng)合成生物技術(shù)”。

這樣的光合細(xì)胞工廠非常適合用來(lái)合成植物天然產(chǎn)物。以往，人們需要植物天然化合物時(shí)，通常是經(jīng)植物提取。但大多植物體內(nèi)化合物的含量較低、難以大量獲得，并且在提取過(guò)程中還會(huì)面臨植物體內(nèi)化合物結(jié)構(gòu)相似、難以分離等其他困難。

但現(xiàn)在，“只要對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行改造，引入不同植物的代謝途徑，就相當(dāng)于把藍(lán)藻變成了‘人參’、‘葡萄’等植物，藍(lán)藻也因此有了合成人參皂苷、白藜蘆醇等天然產(chǎn)物的能力?！蹦呖∠蛴浾呓榻B道。

“將排放出的二氧化碳進(jìn)行回收利用，這才是合成生物學(xué)的發(fā)展方向和使命所在。”倪俊認(rèn)為，而使用“藍(lán)藻工廠”后，每生產(chǎn)一噸白藜蘆醇，不僅可以相應(yīng)縮短生產(chǎn)周期240倍，節(jié)約土地72750畝，還能吸收二氧化碳超過(guò)兩千噸，實(shí)現(xiàn)了真正的綠色合成。

▌生萬(wàn)物：不止是天然產(chǎn)物

雖然這樣的光合細(xì)胞工廠經(jīng)改造后，就能“一鍵生成”想要的目標(biāo)產(chǎn)物，但實(shí)際總會(huì)比理論更加復(fù)雜?！熬秃帽葘⑺饕牒拥?，它并不會(huì)按照你設(shè)想的那樣只流向主干道，除了干流外，還會(huì)有很多的支流?！?/p>

“細(xì)胞工廠的生產(chǎn)同樣是如此，雖然路可以走通，但能不能達(dá)到你想要的產(chǎn)量，讓你用比較低的成本去完成生產(chǎn)，這些問(wèn)題可能需要我們花更多的時(shí)間去解決。通過(guò)不斷地調(diào)整，把藍(lán)藻的合成效率提到更高?！蹦呖「嬖V記者，因?yàn)槿绻a(chǎn)量不夠，意味著產(chǎn)品不具備足夠的經(jīng)濟(jì)性，也就無(wú)法商業(yè)化落地。

目前，光玥生物主要聚焦于苯丙烷類天然產(chǎn)物的生產(chǎn)，這類植物天然產(chǎn)物是最主要的抗氧化、抗衰、抑菌和美白成分，涵蓋千余種消費(fèi)品原料。

倪俊稱，對(duì)比傳統(tǒng)的細(xì)胞工廠，用光合細(xì)胞工廠去生產(chǎn)天然產(chǎn)物會(huì)有很多優(yōu)勢(shì)，比如在大腸桿菌或酵母菌中很難表達(dá)植物來(lái)源的酶，但用光合自養(yǎng)微生物就可以。事實(shí)上，現(xiàn)在通過(guò)光合細(xì)胞工廠獲得的天然產(chǎn)物，有很多在產(chǎn)量上已經(jīng)可以超過(guò)大腸酵母等工業(yè)微生物。

不過(guò)，光合細(xì)胞工廠也有力所不及的地方，比如現(xiàn)在還沒(méi)有擁有很好的工業(yè)化生產(chǎn)大宗化學(xué)品的能力。而通過(guò)傳統(tǒng)的生物合成法，包括長(zhǎng)鏈二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、異丁醇、1,3-丙二醇、異丁烯、L-丙氨酸等在內(nèi)的很多大宗化學(xué)品都已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。大宗化學(xué)品通常有著更為廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

就此，倪俊指出，光合細(xì)胞工廠并非不能生產(chǎn)大宗化學(xué)品，只是在現(xiàn)階段，其產(chǎn)量及生產(chǎn)成本仍然夠不上量產(chǎn)的門檻。 他表示，“利用光驅(qū)動(dòng)合成生物平臺(tái)合成高附加值的天然產(chǎn)物，一般在10g/L以內(nèi)就可以量產(chǎn)，但合成大宗化學(xué)品，例如乳酸，基本上要做到幾倍以上的量才有應(yīng)用的意義”。

但隨著底層技術(shù)的不斷優(yōu)化，特別是隨著細(xì)胞工廠快速將二氧化碳轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的能力的提高，倪俊認(rèn)為，這些都將不在話下。

“包括還要提高二氧化碳的固定效率，以及能量（光能）的利用效率，這是光驅(qū)動(dòng)合成生物技術(shù)需要解決的最底層的兩個(gè)問(wèn)題。只有底層壘得足夠高，后續(xù)才有進(jìn)一步往前推的可能。”倪俊說(shuō)，光玥生物雖然在這上面做了很多工作，但依然還有不少可以提高的空間。

比如說(shuō)，光玥生物改造出了可以生產(chǎn)蔗糖和甘油的藍(lán)藻，經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間的努力，目前這兩種物質(zhì)的產(chǎn)量也都已經(jīng)從不到1g/L提高到了10g/L以上?！叭绻苓_(dá)到接近百克的水平，也就是在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上再提高大概兩三倍，那么差不多就具備了足夠的經(jīng)濟(jì)性?！蹦呖「嬖V《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》記者。

這也是繼開(kāi)發(fā)以二氧化碳為原料的“負(fù)碳細(xì)胞工廠”之后，倪俊的另一個(gè)夢(mèng)想，那就是用更低的成本去生產(chǎn)甘油等通用型碳源——目前在生物合成中需求量最大的基礎(chǔ)原料，助力合成生物產(chǎn)業(yè)未來(lái)更好的發(fā)展。