万三| 二氧化碳人工合成淀粉背后:合成生物学——构建未来的制造方式

来源:观察者网

2022-02-22 08:17

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科普撰稿人

【文/观察者网专栏作者 万三】

“细胞治疗做了这么多年,感觉要做不下去了,但有了合成生物学,感觉希望又来了”,中国科学技术大学生命科学学院教授田志刚如此感叹。

合成生物学,是一门运用基因操作工具等调节和改造生命行为,或再创生命形式的工程学科,它正在为诸多或迫在眉睫,或前景广阔的应用带来希望。

中国合成生物学最早发起人之一的赵国屏院士这样解释:合成生物学区别于其他传统生命科学(如基因科学、微生物学、生物化学等)的核心是其“工程学本质”——合成生物学最主要的任务,是要按人们的需求,设计出相应的“产品”。

就跟设计制造冰箱是为了制冷储存食物一样,人工合成生物,有着明确的目的与明确的产物。

举个例子,人们其实从几千年前就雇佣微生物给自己干活了,比如为让人们“痛快喝一杯”而默默耕耘的酿酒酵母。然而这种合作是偶然间达成的,长期以来人类只能通过偶然发现一个工作伙伴的形式,与微生物合作。喝完啤酒第二天人想喝酸奶了,酵母菌就没用,只能出门左拐找乳酸菌。第三天人类想要“酿”点别的东西,又得去亿万种细菌里大浪淘沙。这样的方式十分低效。

有了合成生物学,科学家可以改造细菌自身的构造,创造出自然界根本不存在的生命,甚至让它与半导体等人造物质结合,精确生产出我们需要的东西。

如今,合成生物学已经与纳米技术、机械工程、大数据、AI学习等多领域相结合,在制造业、医疗、能源、农业、消费品等领域落实应用。

一、助力农业发展

去年9月,中科院团队完成二氧化碳人工合成淀粉的重大突破,今后,费时费地的农业过程,可能会变成高效集中化的工业过程。

这背后,是合成生物学家十多年“设计-合成-测试-学习”的反复尝试。

诚然,用这种方法转换淀粉的成本尚不能与农业种植竞争,但合成生物学也已经在其他诸多方面协助农业生产。

微生物天然产出的一些物质可以作为农药,远比化学农药要高效安全、对环境友好,在植物病虫害防控及保护我国粮食安全领域具有不可或缺的战略地位。例如除虫菊酯就是菊科植物天然会产生的一类物质,它对蜜蜂、蝴蝶等农业益虫无毒,却能有效杀伤多种害虫。且对哺乳动物很友好,在环境中停留的时间也很短。

常规方法要获得除虫菊酯怎么办呢?种菊花呗,然后再想办法从植物内提取。下图就是漂漂亮亮的除虫菊:

但种菊花要时间,收割后萃取出想要的化学物质又要一阵折腾,所以产量不够大,成本也比较高。毕竟植物只是为了活下去,顺手产点除虫菊酯,不是为了给人类制造生物农药而生的,所以它体内的除虫菊酯含量也不高。

合成生物学的思路是,先搞清楚植物怎么造出除虫菊酯的,再把植物细胞中能够干活的“元件”流水线式组装入微生物细胞中,让能够大量繁殖养起来又便宜的细菌来当代工厂。等技术成熟后不怕不够用。

二、医疗新曙光

怎样将合成生物学技术转化到医疗应用上的研究,受到了科技界和医学界的广泛关注。

大家可还记得120万元/支的天价癌症药CAR-T?这种治疗癌症的技术从患者的血液中取出T-细胞,一顿量身定做的改造后,让它们学会识别并攻击患者体内的癌细胞。听着很美好,但它有使用范围限制和一旦发生了很麻烦的副作用:识别错了的话,会把自己人一顿猛殴。

而合成生物学有望让CAR-T细胞小分队自带逻辑线路,判断治疗过程中出现的变化,精准攻击的同时不要误伤无辜。

中国科学技术大学生命科学学院教授田志刚感叹:“细胞治疗做了这么多年,感觉要做不下去了,但有了合成生物学,感觉希望又来了。”

对付癌症,合成生物学的另一种思路是改造细菌。中国科学院深圳先进技术研究院团队就在将细菌成更具针对性、更智能、更高效的抗肿瘤“武器”。被改造过的细菌一方面能够“踢醒”人体自身的免疫细胞,让它们起床干活了,这里有癌症;另一方面能帮忙运送药物分子。目前,该团队改造的人工细菌已进入临床前研究阶段并取得理想疗效,有望成为全球首个用于治疗实体瘤的活体生物药物。

(工程细菌识别并作用于癌细胞的示意图,图源:genengnews.com)

基础诊疗方面,合成生物学也有用武之地。麻省理工学院合成生物小组的研究员把改造细菌植入可重复拉扯弯曲的水凝胶,能够黏附在人类皮肤表面。当这块生物材质接触到特定的物质后,植入的细菌因而受刺激而发光,提醒科学家有某种化学分子存在。该技术未来可能应用在防护手套上检测有毒物质、病原体、过敏源,甚至放在人的皮肤上作初步医疗诊断。

(有了这样的手套,以后再有刁民想毒死朕就没那么容易了!图源:MIT News)

医美是另一条当下颇具经济前景的赛道。能够以合成生物学技术量产的天然高分子材料PHA(聚羟基烷酸酯),正被市场视为轻医美的最佳选择。PHA降解周期小于6个月,在所有自然环境中都完全降解为水和二氧化碳。

PHA药物微纳载体的降解能力更缓慢,生物相容性更好,其降解速度比聚乳酸(PLA)慢,是众多生物可降解材料中较慢的一大类,正因其降解产物释放较缓慢,对人体环境刺激更小,将在医美填充物与护肤原料、手术缝线等应用场景中发挥作用。

蓝晶微生物是全球第三家、国内第一家具备PHA大规模生产技术的企业,其已与某上市公司签署协议,成立合资公司,共同完成产品的研发、合规化申报及后续商业化推广。

三、人造食品

人造肉的概念近年来同样风风火火,它可能是公众眼中最知名的合成生物学应用方向。遗憾的是,不管拿植物蛋白合成的肉,还是直接培养动物细胞,目前的人造肉口感上还和真肉有差距,价格也不便宜,消费者接受度一般。但由于人们对肉类的渴望远没有到头,但凡大家还在对夜宵烧烤念念不忘,只需要传统养殖业1%的土地和1%的水就可以生产出肉品的人造肉,还是有广阔的前景。

另一些人造食品显得更成功,更让人期待。例如品行业巨头雀巢正在研发将人类泌乳细胞在环境接近乳房的培养基中进行体外培养,经诱导后产出母乳。如此一来没有条件进行母乳喂养的母亲,就能获得比配方奶粉更好、营养更还原的替代品。

(图源:biomilq.com)

目前合成生物学能做到完全还原质地与口感的产品,是人造蜂蜜。自然环境下蜜蜂制造蜂蜜的方式就是把花粉吞下去,在胃里进行微生物发酵后吐出来。合成生物学所做的便是把微生物放到培养体系中,模拟蜜蜂胃里发生的过程。

这么做的目的并非脱裤子放屁,大规模养蜂业容易对野生蜜蜂种群造成冲击,而把蜜蜂从蜂蜜的供应链中剔除,能够更好地保护生物多样性。

(不要蜜蜂造蜂蜜,真的不是吹牛bee,图源:melibio.com)

倘若带上不是给人吃的,就不得不提去年10月中国农业科学院饲料研究所搞出来的耀眼大新闻「工业化一氧化碳合成蛋白质」。这项合成乙醇梭菌蛋白的技术已经具备万吨级的工业产能,可以做饲料拿去养殖场给猪牛羊鸡吃了。

虽然细菌制造出来的蛋白不能完全代替豆粕,但还是有望缓解我国每年1亿吨的大豆进口压力。对保障粮食安全意义重大。

四、可持续新能源

近年来新能源的概念也逐渐渗入人们的日常生活,谁身边还没几个开着新能源车,紧盯新能源板块基金股票的朋友呢?为了不把身家性命绑死在会被用完且污染环境的化石能源(主要是石油)上,人们一直四处寻求可持续的新能源备胎。除了大家耳熟能详的风能、太阳能外,生物能源也是一个重要的探寻方向。

例如默默无闻的植物其实是利用能源上很有一手。光合作用对空气中碳元素的利用率接近100%,但整个过程的能量转换效率非常低,一般在5%以下。合成生物学的脑洞就很大了,奇思妙想一个接一个——科学家探索将固态半导体光吸收器和一些细菌整合成半导体-细胞混合体系的可能性,让生物能够更有效地捕捉光能,转移到糖类等物质中固定下来。

在另一些研究中,科学家试图改进微生物对糖的利用效率,使得它们能够将糖分转化为汽油、柴油、乙醇等燃料。

一旦整条通路被打通,直接将空气变成清洁燃料便不再是白日做梦。

现有的新能源技术与相关产品,能期待与合成生物学相配合的地方也很多:

例如氢燃料电池大家都说好啊!高效清洁无排放。唯一的问题是好贵,因为要用到一些贵金属催化剂,搞得去年铂金价格一路上涨。利用合成生物学,可以让微生物把一些纤维素加工成具有指定孔隙,大表面积的水凝胶,去替代贵金属(比如铂),电池成本也就随之降低。铂金项链也能跟着便宜点买到,何乐而不为。

还有废旧电池回收一直是个大难题,现有的方法二次污染大,回收有用金属的效率也不咋滴。

电池回收受到高成本、高能量密度和苛刻处理条件的限制。改进微生物或无细胞系统的新方法可以通过多种化学物质来提高能量储存的回收技术。如今人们已经发现一些特殊微生物非但不会被重金属毒死还能倒过来利用它们。例如能够利用钴给自己做金属盔甲保护自己的“钢铁侠”硫还原地杆菌。合成生物学正在试图改进出更高效工作的菌种,为人们将废旧电池中的重金属元素提取并回收。

(大家正在指望“钢铁侠”细菌能回收锂电池中的钴,图源:thehindu.com)

五、新型材料

人类对特殊生物材料抱有浓厚的兴趣。比如蜘蛛丝开了挂一样的机械性能,比如河里海里的贝类为什么能黏在岩石上,而我手里的固体胶一沾水就彻底完犊子?

化工和传统的生物发酵工程都在解析、还原成分上一筹莫展,因为蛛丝蛋白、肌连蛋白等超高分子量的蛋白质信息量爆表了,普通细菌难以合成。此时合成生物学表示:我不跟你们折腾这些有的没的。来人!给我把海洋贻贝的黏液分泌腺体摘出来养,或者我直接拿一些工程细胞来模仿这一过程,要么我把细菌基因改造到能接受这样的信息量为止,然后从制造各种分子到组装起来一条龙!

总之,合成生物学是新一轮生命科技研究必争之地。

根据麦肯锡发布的数据,未来10到20年,合成生物学每年对材料、化学和能源的直接和间接经济影响可能达到2000亿到3000亿美元。认识细胞并利用其内置或合成功能将会产生巨大的经济影响。

美国对合成生物学的布局比较早,近年来更是连续发布了多份科技路线图,包括“半导体合成生物学”“工程生物学”“微生物组工程”“工程生物学与材料科学”等,这些路线图都更加关注跨学科的交叉融合,进一步明确了面向未来20年的发展目标和方向。2021年《美国创新与竞争法案》中,合成生物学位列关键竞争技术。

相应的,我国从2008年开始,中国科学院合成生物学重点实验室在上海成立。2012年国家科技部发布了合成生物学路线图,2020年“十四五”规划又将合成生物学列入科技前沿领域攻关方向。

人类对自然造物的挑战不光是多与少的较量,还在精密性上不断突破自然生命的限制。

2020年,人造物质量已经大于1,100,000,000,000吨,超过了全球所有生物加起来的质量。

(图源:参考文献[13] )

人类,已经成为塑造地球表面的主导力量。

但人类的目的不是颠覆自然,而是更好地与地球共存,长远生存下去并过上更好的生活。

基于这一共同愿景,有着“第三次生物技术革命”之称的合成生物学,注定成为下一个新的主导产业,将深刻改变世界经济发展模式和人类社会生活方式。

参考文献:

[1]. 李坚强. 生产生物燃料有哪些新技术[J]. 石油知识, 2017 (4): 38-39.

[2]. 赵丹, 徐宏英, 冷昊辰, 靳茹, 王惠惠, 白涛. 生物处理回收废旧电池中金属的研究进展[J]. 环境保护前沿, 2017, 7(3): 282-288

[3]. Dulay H, Tabares M, Kashefi K, Reguera G. Cobalt Resistance via Detoxification and Mineralization in the Iron-Reducing Bacterium Geobacter sulfurreducens. Front Microbiol. 2020 Nov 26;11

[4]. 王欣, 赵鹏, 李清扬, 等. 半导体合成生物学的研究进展[J]. 化工学报, 2021, 72(5): 2426-2435.

[5]. 中国科学院上海生命科学信息中心,合成生物学:电力和能源领域的未来发展[R].合成生物学快讯,2019 年第 10 期

[6]. 崔金明, 王力为, 常志广, 臧中盛, 刘陈立. 合成生物学的医学应用研究进展[J]. 中国科学院院刊, 2018, 33(11): 1218-1227

[7]. Jennifer Chu | MIT News Office. “Living sensors at your fingertips.” MIT News. N.p., 15 Feb. 2017. Web. 27 June 2017. .

[8]. 王凤姣, 徐海洋, 闫建斌, 等. 植物天然农药除虫菊酯的生物合成和应用研究进展[J]. 合成生物学, 2021: 1.

[9]. TIME Best Inventions of 2021: MeliBio Honey Without Bees, https://time.com/collection/best-inventions-2021/6115512/melibio-honey-without-bees/

[10]. 韩亮,万俊毅 . 人造肉对传统肉的可替代性:回顾与展望[J]. 新疆农垦经济,2021(12):74-83.

[11].安柏霖,王艳怡,钟超,合成生物技术在新材料发展中的应用[J]. 生命科学,2021,33(12)

[12]. Elhacham, E., Ben-Uri, L., Grozovski, J. et al. Global human-made mass exceeds all living biomass. Nature 588, 442–444 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-3010-5

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责任编辑:周远方
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