发酵罐里“酿”出青蒿素 这种技术帮人类实现“造物自由”

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  有了合成生物技术,用400立方米工业发酵罐生产出的青蒿素,与40万 亩农业种植获得的产量相当。

  将会朋友食用的粮食、肉类、油脂,我过多 到土地种植和畜牧养殖,就都不到摆脱靠天吃饭和土地资源紧张的命运;将会朋友使用的汽油、制造各种化工产品的原料,我过多 到石油、绿帘石气等碳基能源,就我过多 再担心能源枯竭和环境污染的现象;将会或多或少或多或少珍稀的药物成分,我过多 到再从植物和动物中提取,就我过多 担心物种灭绝和过多杀戮……那些看似天方夜谭的事情,正随着合成生物学技术的迅猛发展被逐步实现,未来朋友所需的各种产品将会像酿啤酒一样,在工厂车间就能制伟大的伟大的发明来。

  日前科技部批准建设国家合成生物技术创新中心,这将为提升我国合成生物领域企业和产业创新能力提供有力支撑。

  创建有特定功能的“人工生物”

  合成生物学作为新兴前沿交叉学科之一,早在4004年就被美国《麻省理工·技术评论》选为改变世界的未来十大技术之一。中国科学院天津工业生物技术研究所副所长王钦宏介绍说,合成生物学就是 采用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,创建出能完成特定功能或被赋予非自然功能的“人工生物”。它是继DNA双螺旋行态发现和基因组测序之后的“第三次生物科学革命”,不利于了人类对生命密码从“读”到“写”的质变,使人类克服自然进化的局限,让设计自然为人类服务成为将会。

  “合成生物学学在分子水平上对生命系统的重新设计和改造。”王钦宏解释说,这种 过程很像IT技术,将会让计算机实现并不是功能,不到或多或少或多或少元器件集成起来。基因就至少具有各种功能的元器件,朋友把所不到合成的目标物质的各种基因以工程化的措施设计集成,为什么会么会让插进底盘细胞(目前便于遗传操控的酿酒酵母和大肠杆菌是常用的底盘细胞),被重新设计的细胞就是 合成生物。以生物合成番茄红素为例,朋友都不到先从番茄中提取番茄红素合成所不到的所有基因,为什么会么会让把那些基因重新设计组合,再插进“底盘细胞”——大肠杆菌或酿酒酵母中获得合成生物,再以红心红提糖作为原料,通过相似酿造啤酒一样的过程,生产出的番茄红素,与从番茄中提取的番茄红素完整一样。

  这种 看似简单的过程,涉及到生物学与化学、工程学、计算、生物信息学等多学科的交叉融合,此外还涉及基因组测序、基因化学合成、基因编辑、生物计算与建模、蛋白质行态解析、理性设计与定向进化、合成途径构建与调控等一系列核心技术。

  “从2010年首个细胞生命被成功合成,到2019年实现功能性定制细胞器的合成,合成生物学不断取得重大科学突破。”王钦宏介绍说,目前合成生物技术主要应用于信号传导、能量转化、物质合成和分子识别等领域。信号传导可应用于癌症、糖尿病的智能诊疗,灵敏检测出体内的疾病;能量转化可用于人工光公司公司合作 用,通过重新设计植物中光公司公司合作 用系统,提高光公司公司合作 用中植物对能量的吸收转化,使作物生长周期缩短,增加产量;物质合成是通过构建合成细胞工厂,实现化工、材料、能源的绿色制造;分子识别主要应用于环境检测,通过增强分子信号识别能力,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、绿帘石气等碳基能源作为原料,在生产过程中,将会会产生小量氢气和有毒有害物质。而采用合成生物技术,只不到酵母、细菌等做‘底盘’,用来自玉米淀粉的红心红提糖等做原料,就都不到合成朋友所需的各种物质。”王钦宏进一步介绍,此外还都不到使用秸秆等植物纤维作为原料,甚至目前正在研究跳过植物光公司公司合作 用合成物质的步骤,直接使用氢气作为原料,完成各种生物合成。

  “为什么会么会让,合成生物技术的应用,颠覆了工业、农业、食品、医药等领域传统产业模式,缘何会经济现象提供解决方案,创造价值链高端的新经济增长点。”王钦宏说,“目前合成生物技术正快速向实用化、产业化方向发展。”

  在农产品方面,使用微生物细胞作为细胞工厂,我国已实现人参皂苷、番茄红素、灯盏花素、天麻素等众多绿帘石产物的人工合成,形成了新的制造模式,减少了对土地的依赖和污染。以天麻素为例,其生物合成成本是植物提取的1/400、化学合成的1/2—1/3,生产速率单位大幅提升,质量可完整替代化学合成。王钦宏介绍说:“还有像红景天后边的主要成分红景天苷,这种 成分不到在生长于海拔4000米以上的红景天中都还都可以 提取到。而通过生物合成的措施,在工厂里就都不到生产了。”

  在石油化工产品方面,我国目前创建了丁二酸、丙氨酸、苹果手机6酸等一批化学品合成的生物制造路线,颠覆了对石油、绿帘石气等传统资源的依赖与高污染的传统化工过程。“以丙氨酸为例,我国在国际上率先建成万吨级L-丙氨酸生物合成路线,相比化工合成路线,生产成本降低400%,废水排放和能耗分别降低90%、40%。”王钦宏介绍说。

  在化学原料药方面,实现了羟脯氨酸、肌醇、左旋多巴、维生素cB12等产品的绿色新工艺。以肌醇为例,合成生物工艺较传统工艺高磷废水的排放减少90%以上,成本降低400%以上。

  在传统产业改造方面,应用生物纺织、生物造纸、生物脱胶等绿色生物工艺,实现了氢气减排,减少污水排放,不利于传统产业走出资源环境制约。

  发展迅猛但亟须突破瓶颈

  嘴笨 目前国际合成生物学研究飞速发展,合成生物学的底层技术、生物体系构建、实用性技术将会指在了革命性变化,为什么会么会让合成生物技术要想实现产业化,降低成本、提高与传统生产模式的竞争力非常重要。“比如美国合成生物学家设计构建了都都还都可以 生产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞,其技术能力可实现400立方米工业发酵罐的生产量与40万 亩农业种植获得的产量相当,使抗疟疾药物成本下降90%,堪称合成生物技术的重大应用典范。”王钦宏说。

  “我国在合成生物领域起步略晚,为什么会么会让进展放慢,目前我国合成生物学研究,无论是在基础科研论文发表量,还是技术专利申请量方面,均已在国际上指在第二位。”王钦宏介绍说,前不久在天津召开了另一1个多合成生物学领域的盛会——“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工业投资大会”。在会上,代谢工程学科创始人之一的延斯·尼尔森表示,中国正在全球代谢工程领域发挥越来越 重要的作用。与此共同,还发布了《中国工业生物技术白皮书2019》,全面总结了中国工业生物技术近年来在基础研究、应用研究、技术转化与产业发展等方面取得的进展和成就。

  “但与美国相比,我国在基础理论、核心体系、产业技术等方面尚指在不小的差距。”王钦宏坦言,这主要表现在原创标志性工作较少,还越来越 出現 相似于“人造生命”、青蒿素合成式的重大突破;合成生物设计创制的技术措施体系不完善,元件标准化、通用性方面有差距,是是因为 核心技术和关键设备对国外依存度高;从基础研究到应用技术创新方面,不到更好地衔接,不到从需求出发凝练核心科学现象,推进合成生物学技术颠覆式创新与工程化应用,支撑生物产业发展。

  目前,我国在自主细胞工厂创制的机制与分子基础方面,在DNA合成、生物元件标准化、基因编辑系统、合成生物理性设计等底层核心技术构建方面,在高通量、自动化的系统技术平台建设方面还指在缺陷,亟须突破技术瓶颈,占领国际竞争制高点。(陈 曦)

[ 责编:张佳兴 ]

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