合成生物制造進展

張媛媛，曾艷，王欽宏

（1 中國科學院天津工業生物技術研究所，中國科學院系統微生物工程重點實驗室，天津 300308；2 中國科學院科技促進發展局，北京 100864）

合成生物學是對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成，甚至創建賦予非自然功能的“人造生命”［1-2］。合成生物學融合了生物學、工程學、物理學、化學、計算機等學科，具有重大的科學與技術價值［3］。合成生物學顛覆了傳統生命科學以定性描述、探索發現為主的研究范式，逐步建立了定量預測、可控再造為主的科學范式。以合成生物作為核心工具建立的新一代顛覆性生物技術，有望為破解人類社會面臨的資源短缺、能源供給、健康安全、生態環境等領域重大挑戰提供完整全新解決方案［4］。

合成生物制造是以合成生物為工具，利用淀粉、纖維素、二氧化碳等可再生碳資源為原料，進行化學品、藥品、食品、生物能源、生物材料等物質加工與合成的生產方式（圖1），具有清潔、高效、可再生等特點，能夠減少工業經濟對生態環境的影響，有望徹底變革未來醫藥、食品、能源、材料、農業等傳統模式，重塑碳基物質文明發展模式［5-6］。世界經濟合作組織發表的報告表明合成生物制造可以降低工業過程能耗、物耗，減少廢物排放與空氣、水及土壤污染，以及大幅度降低生產成本，提升產業競爭力［7］。例如基礎化學品的一個典型案例是1，3-丙二醇合成生物制造，與石油路線相比，CO2減排63%，原料成本下降37%，能耗減少30%，成功創造了一個化纖原料擺脫石油價格體系的范例。根據經濟規模潛力分析，所有的有機化學品理論上都可以通過合成生物制造來生產。合成生物可實現自然生物不能合成或者合成效率很低的石油化工產品的生物制造路線，促進二氧化碳的減排和轉化利用，構建出工業經濟發展的可再生原料路線，推進物質財富的綠色增長。

圖1 合成生物制造示意圖Fig.1 Schematic diagram for synthetic biomanufacturing

隨著傳統制造業所依賴的土地、水和化石燃料等資源日益稀少，以人造生命為載體有效利用生物質資源的合成生物制造為制造業轉型發展提供了新的解決方案，促使世界主要經濟體高度關注和加快部署。美國國家研究理事會于2015 年發布《生物學工業化路線圖：加速化學品的先進制造》，提出了未來“生物合成與生物工程的化學品制造達到化學合成與化學工程生產的水平”的發展愿景，并制定了發展和整合原料、微生物底盤與代謝途徑開發、發酵以及加工等多個領域的路線圖目標；在這一規劃指導下，美國能源部、農業部、國防部等持續在生物化學品、生物燃料的生物制造領域投入巨資開展研發項目，啟動敏捷生物鑄造廠（Agile BioFoundry，ABF）聯盟計劃，并于2020 年新建生物工業制造和設計生態系統（BioMADE），推動美國非醫藥類生物工業制造業的發展。歐盟在2013 年發布首個生物基行業《戰略創新與研究議程》，2019 年制定《面向生物經濟的歐洲化學工業路線圖》，提出在2030 年將生物基產品或可再生原料替代份額增加到25%的發展目標；并通過生物基產業聯盟計劃持續資助生物制造產品的研發和行業發展。英國于2018 年制定發布《至2030 年國家生物經濟戰略》，著力發展合成生物學研究的轉化與應用，建立和完善合成生物技術產業創新網絡式布局，推動國家工業戰略的實施。日本發布《生物戰略2019》，提出到2030 年建成“世界最先進的生物經濟社會”，并圍繞生物制造技術發展等重要主題制定了《生物戰略2020》的基本措施。

近年來，合成生物制造發展迅速，并相繼在各個領域取得了令人矚目的重大成果，這些進展的取得離不開合成生物關鍵科學問題的深入研究與突破。預計未來十年，石油化工、煤化工產品的35%可被生物制造產品替代，成為可再生產品，對能源、材料、化工等領域產生廣泛影響；包括牛奶、食糖、油脂、天然產物等農業產品一旦實現工業生物制造將產生巨大的顛覆性影響，其全球經濟規模也十分可觀，可以達到數十萬億美元。目前，通過合成生物制造，已經成功實現了一批大宗發酵產品、可再生化學與聚合材料、精細與醫藥化學品、天然產物、未來農產品等重大產品的生物制造，一氧化碳、甲醇以及二氧化碳等一碳原料利用方面也不斷取得進展。本文將就相關進展進行簡要綜述和討論。

1 大宗發酵產品生物制造

我國是生物發酵規模最大的國家，其中大宗發酵產品年產量近3000 萬噸，年產值超過2400億元［8］，如果將發酵食品涵蓋在內，年產值將達到1.2 萬億左右。發酵產品，尤其是氨基酸、有機酸、抗生素、維生素、微生物多糖等大宗發酵產品的生物制造，取決于核心菌種性能與技術的先進性。高性能菌種可以實現更高的轉化率、產品濃度和生產強度，從而在激烈的產業競爭中占據主動。合成生物學的發展大大提升了菌種設計改造能力，不僅可以獲得自主知識產權的新菌種，而且顯著提高原料利用能力和轉化效率等技術指標。

1.1 有機酸

有機酸作為一類重要的大宗發酵產品，廣泛應用于化工、食品、醫藥等領域。目前，有檸檬酸、葡萄糖酸、蘋果酸、衣康酸、富馬酸、丙酮酸、丙酸等20 多種有機酸可以采用發酵法進行規?；镏圃欤?-10］。盡管很多有機酸品種已經產業化數十年，各生產企業仍然不斷提出提升菌種生產能力、優化生產工藝等要求，以進一步降低生產成本，應對激烈的市場競爭。合成生物學的發展為進一步優化改造生產菌種提供重要機遇。例如，年產量超過175 萬噸的檸檬酸是最重要的有機酸品種之一，目前利用合成生物學改造的菌種發酵濃度可以超過220 g/L，對底物的轉化率可以接近100%［11-13］。改造過程包括調整菌種內源代謝途徑、引入底物轉化利用關鍵酶、調控產物轉運等，從而提升菌種底物利用率、降低副產物殘留、減弱產物反饋抑制以及培養基組分簡化。蘋果酸由于其特有的口感，有望代替檸檬酸成為新的酸味劑，但是目前高的生產成本限制了這個應用；近年來，通過合成生物學設計構建的新菌種不斷出現，大幅度提升了蘋果酸發酵生產能力，生產成本也不斷下降［14］；通過設計合成與優化改造的嗜熱毀絲霉菌可直接將葡萄糖甚至木質纖維素轉化為L-蘋果酸，其產量超過180 g/L［15］，相關研究成果正在推進萬噸級產業化應用。衣康酸也是一種重要有機酸產品，盡管與檸檬酸生產有類似的代謝途徑，但是衣康酸的發酵水平一般在85 g/L［16］，遠遠低于檸檬酸發酵200 g/L 以上的水平；通過調控糖酵解途徑、提升產物轉運能力、阻斷草酸等副產物形成并結合錳離子調節等過程優化，衣康酸的發酵水平可以提高到130 g/L［17］，為大幅度降低生產成本奠定了基礎。

1.2 氨基酸

氨基酸同樣是一大類重要的大宗發酵產品，通過多種合成生物學技術的應用也為氨基酸生物制造迎來新的發展，不僅賴氨酸、谷氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸等大品種的生產水平在提升，甲硫氨酸、丙氨酸、精氨酸等新品種生產能力和規模也在快速發展［18-19］。利用代謝工程以及合成生物學工具，成功創制新一代賴氨酸生產菌種，轉化率超過75%，居世界領先地位，顯著提升了產業水平［20-21］。針對化學法生產甲硫氨酸所需的絕大部分原料和中間體均為有毒物質，甲硫氨酸生物制造越來越受重視，目前發酵加化學轉化的兩步法已經實現了產業應用，成本接近了化學合成的產品，但是直接發酵生產甲硫氨酸還在進一步研發中［22］。通過解除精氨酸代謝調控、降低糖酵解途徑流量以及提高精氨酸合成限速步驟反應速率等一系列設計改造得到新菌種，L-精氨酸產量達到92.5 g/L，為產業應用奠定了重要基礎［23］。

1.3 抗生素

抗生素的生產離不開生物制造，特別是青霉素、頭孢菌素、紅霉素等也屬于大宗發酵產品。以青霉素、頭孢菌素為代表的β-內酰胺從發現到現在已經有70 多年歷史了，盡管早期主要靠隨機誘變來提升生產水平，但是近年來利用代謝工程、合成生物學還在持續不斷地改造菌種，提升生物制造水平。與70 年前剛發現時相比，青霉素的生產水平提升了10 萬［24-25］。放線菌是生產抗生素的重要菌種，通過多組學解析與基因組水平代謝模型計算、前體物供給的理性設計、調控基因與元件改造解除反饋抑制、抗性基因過表達等合成生物學技術，有效地提升了放線菌生產紅霉素、阿維菌素、阿霉素、泰樂菌素、FK506等一大批抗生素的生產制造水平［26-28］，為保障人類健康提供了重要技術支撐。同時通過途徑的合成與組裝、底盤細胞選擇與改造，合成生物學也為新型抗生素的合成制造提供了新機遇［29］，剛剛獲得我國一類新藥證書的可利霉素就是采用合成生物學技術研制生產的新抗生素的典型案例［30］。

1.4 維生素

合成生物學的發展也促進了維生素的生物制造水平提升，包括眾多B族維生素在內的不同種類維生素可以完全從頭生物合成，或者結合化學轉化的部分生物合成，技術水平也不斷得到提升［31-32］。兩步法生物制造維生素C是我國生物技術領域里程碑式的重大成果，通過以氧化葡萄糖酸桿菌（“小菌”）和假單胞桿菌（“大菌”）兩種菌的生物氧化代替化學氧化，形成全新工藝路線；然而這種總共需要3種菌實現的工藝影響因素較多，難以精確控制，構建新菌種實現一步發酵生產是目前努力的方向［33］。維生素B3（煙酰胺）是重要維生素品種之一，是食品飼料行業不可或缺的重要產品，目前全球年產量6萬噸左右，產值約25 億元；通過設計改造來源于錳氧化橙單胞菌的腈水合酶，開發了基于反饋補料的高密度發酵產酶和兩次投酶連續補料清水酶催化3-氰基吡啶的水合反應新技術［34］，突破維生素B3生產原料3-氰基吡啶制造的技術瓶頸，實現了維生素B3/吡啶產品鏈的市場適應性和安全潔凈規模化生產。維生素B12是一種含有金屬鈷的復雜有機分子，廣泛應用在藥品、飼料和食品等領域；利用合成生物學手段，通過在大腸桿菌中進行從頭人工途徑的設計，最終得到了生產維生素B12的細胞工廠，發酵周期縮短為20～24 h，為生產維生素B12的工業菌株奠定了基礎［35］。

2 可再生化學品與聚合材料合成生物制造

利用非糧淀粉、木質纖維素等可再生原料生產可再生化學品與生物基材料可以解決化石能源短缺等問題，滿足經濟社會綠色、可持續發展需要［36］。生物制造化學品與材料可以大幅減少原材料和能源消耗，大幅降低操作成本［37-38］。美國DuPont公司與Genencor公司合作，最早開發1，3-丙二醇生物制造技術，產量為135 g/L，葡萄糖轉化率為51%，生產強度達3.5 g/(L·h），建成了年產4.5萬噸基于1，3-丙二醇的生物聚酯PTT煉制工廠，該生物路線相比石化路線能耗降低40%，溫室氣體排放減少20%，成為戰略新興產業的一個典范［39］。近年來，隨著合成生物學的發展，人們對細胞代謝和調控認識的不斷深入，技術手段不斷進步，通過優化改造、從頭設計合成高效生產菌種，大大提高了可再生化學品與聚合材料的生產能力與效率［40-41］。

2.1 可再生化學品

丁二酸可以用來合成丁二酸丁二醇酯（PBS）、尼龍54等生物基材料。通過遺傳改造和代謝進化，構建出高效生產丁二酸的大腸桿菌細胞工廠，丁二酸產量達125 g/L；在此基礎上，又將丁二酸合成途徑分為若干個功能模塊進行改造提升，最終獲得丁二酸生產速率和產量提升的新菌種［42-43］；利用新菌種已建成2萬噸全球最大規模生產線，與石化路線相比成本下降20%，二氧化碳減排90%。戊二胺又名尸胺，是一種生物胺類，在化學纖維、紡織等多個領域有著重要的應用；通過蛋白質工程手段獲得了耐受高溫、高pH 且具有高活性的賴氨酸脫羧酶突變體，構建和優化酶的生產工藝和賴氨酸生物催化工藝，利用該酶進行戊二胺生產，1 t 發酵罐6 h 內可以獲得>200 g/L 的戊二胺，摩爾轉化率大于98%，經過初步核算每噸戊二胺的生產成本可以控制在1.4 萬元左右，具有較好的經濟可行性，有望替代同類產品己二胺［44］。1，4-丁二醇（BDO）是一種極具商業價值的化學品，每年用其生產超過250 萬噸的聚合物，目前僅可通過石油和天然氣原料合成，借助基因組規模代謝模型，工程改造大腸桿菌，包括增強TCA 循環的厭氧途徑以提升還原力供給等，最終首次構建了可直接合成BDO 的生物合成途徑，濃度可達18 g/L［45］；隨后通過優化代謝途徑中酶的活性，1，4-丁二醇產量可達200 g/L，實現了萬噸級規模的生產應用，比石化路線減少56%的溫室氣體排放［46］。利用合成生物學技術，更多的脂肪酸、脂肪醇、酯、烯烴、烷烴、酮、酚等石油化學品也可以通過生物制造實現，不過目前大多數產品與石化路線相比還不具備經濟可行性，需要進一步提升生產水平［47］。

2.2 生物基聚合材料

利用合成生物學技術也可以直接生產生物基聚合材料［48-49］。聚乳酸（PLA）也稱為聚丙交酯，屬于聚酯家族，是一種生物基可生物降解材料，主要通過生物制造的L-乳酸或D-乳酸化學聚合而成［50］；通過引入多種外源基因可在大腸桿菌工程菌體內直接生產PLA 均聚物及其共聚物P（3HB-co-LA），但效率很低，后期通過基因敲除、啟動子優化等方法最終實現高效合成PLA 均聚物和共聚物，為一步法生物合成非天然聚合物提供了支撐［51-52］；通過進一步的大腸桿菌改造實現了一步合成非天然高分子聚乳酸-羥基乙酸共聚物PLGA，相關聚合物在組織工程支架、藥物緩釋載體、醫用工程材料等領域具有良好的應用前景［53］。聚羥基脂肪酸酯（PHA）是天然可生物降解的高分子聚合物，在包裝材料、醫療器械材料領域有廣闊的應用前景。目前，運用合成生物學手段，大多數常見的PHA 可以以葡萄糖為單一碳源來合成。通過在工程大腸桿菌中整合多種外源酶基因，可直接體內合成3-羥基丙酸酯（3HP）和4-羥基丁酸酯（4HB）的共聚酯P（3HP-co-4HB），并且在可控制范圍內可調節單體比，會直接影響3HP 和4HB 的聚合物、共聚物性能，是首次實現可調單體比的P（3HP-co-4HB）［54］；通過在大腸桿菌中工程改造反式脂肪酸β-氧化途徑，可直接利用葡萄糖合成中長鏈PHA（mcl-PHA），繼續敲除主要硫酯酶、引入特異性PHA 合成酶，最終可實現多種短鏈-中長鏈PHA 共聚物，表明利用反式脂肪酸β-氧化途徑生產中長鏈PHA 具有廣闊前景［55］；通過分離在含有氯化鈉的海水中快速生長的嗜鹽菌——鹽單胞菌，利用合成生物學技術對該菌株進行從頭改造，使其能在不滅菌和連續工藝過程中高效生產各種PHA，大幅度降低PHA 的生產成本，目前已完成35 t罐規模的生產測試，為規模化工業生產奠定了堅實基礎［56-57］。

3 精細與醫藥化學品合成生物制造

隨著經濟的發展和科技的進步，精細與醫藥化工產業已進入成熟期。目前，我國已經成為全球最大的精細與醫藥化學品供應國。隨著合成生物學的發展，通過對細胞內代謝途徑的全新設計，使精細與醫藥化學品可以通過微生物細胞以廉價的糖類等為原料來合成，為降低精細與醫藥化學品的生產成本，實現綠色生產提供可能［58-59］。

3.1 肌醇

肌醇是重要的精細化學品，廣泛應用于飼料、醫藥、食品等行業。通過四種酶構建了新一代肌醇生物合成路線，且無需額外添加ATP 或NAD+，得率可達98.9%±1.8%（質量分數），在國際上實現了規?；枚嗝阜肿訖C器催化淀粉生產肌醇的工藝路線，相比傳統的植酸酸解生產工藝，磷酸污染降低90%，成本降低50%［60］。通過在大腸桿菌中葡萄糖和甘油的協同利用實現碳源的合理分配，將甘油用于細胞生長，葡萄糖用于合成肌醇，并對生產和生長兩個模塊進行優化，實現了肌醇的高效生產，肌醇產率可達76 g/L，產量達0.68 g/g總碳源，葡萄糖利用率幾乎達到100%，為肌醇的生物制造提供了另一個選擇［61］。

3.2 芳香族化合物

芳香族化合物既是重要的精細化學品，也是化學原料藥的重要組成部分，如香草醛（食品香料）、苯甲酸（食品防腐劑）、對乙酰氨基酚（抗感冒藥物）、乙酰水楊酸（抗凝藥物）、左旋多巴（治療帕金森病藥物）等都是重要的芳香族化合物。目前這些芳香族化合物主要通過高污染、高能耗的苯基化學合成或植物提取獲得，具有不可持續性［62］。生物體中普遍存在的莽草酸生物合成途徑可以生產出一系列芳香族化合物，并且通過進一步的生物衍生轉化，可以合成出這些不同種類的化學原料藥。因此，通過構建高效生物催化劑和新菌種，創建綠色生物合成工藝，使芳香族化合物的高效生物合成制造取得了一些最新進展（表1），這將有望大幅減少能耗、物耗和污染物排放，實現綠色低碳、可持續的發展模式［73］。本文作者所在研究團隊通過對大腸桿菌莽草酸合成途徑進行重新設計優化，逐步組合調控，并結合生物傳感器、液滴微流控分選等新一代高通量篩選技術，實現了3-脫氫莽草酸、3-脫氫奎尼酸、原兒茶酸、左旋多巴、對氨基苯甲酸、鄰羥基苯甲酸等數十種芳香族化合物的從頭生物合成［74-75］，這些產品技術指標不僅在國際上領先于同類研究，且初步生產成本低于化學合成或植物提取，顯示出了良好的產業應用前景。其中3-脫氫莽草酸、原兒茶酸、左旋多巴等產品已經技術許可或技術轉讓給企業，正在推進產業應用。

表1 芳香族化合物合成生物制造新進展Tab.1 Progress of synthetic biomanufacturing of aromatic chemicals

3.3 甾體激素

甾體激素是除了抗生素之外的第二大類藥物，全球產值超過100 億美元［76］。目前甾體激素化合物的生產制造主要以化學合成為主、生物轉化為輔?；瘜W合成不僅嚴重依賴需要大量土地種植獲取的植物資源，而且生產過程排放大量有機廢物，對生態環境造成嚴重污染?；诤铣缮飳W的原理，設計和改造微生物菌種來發酵生產能有效解除原料限制，提升現有生產工藝中生物催化劑（轉化菌種或酶）性能，克服產物精制分離新技術的應用等瓶頸。近年來，重要甾體化合物的生源合成途徑被依次解析，膽固醇、薯蕷皂素和氫化可的松的全生物合成連續實現［77-78］。通過轉錄組學分析，結合釀酒酵母底盤細胞的基因功能鑒定，成功挖掘到藍色犁頭霉來源的11β-羥化酶系統，隨后通過酶半理性改造，獲得R126D/Y398F 突變體，可將該羥化酶系統的催化活性提高2 倍，最終構建的釀酒酵母人工細胞生物轉化合成氫化可的松的產量達1.06 g/L，最大生產速率達667 mg/(L·d)，較出發菌株提高30 倍，達到目前酵母體系生物轉化合成氫化可的松的最高水平［79］。通過對新金分枝桿菌工業菌種的基因組測序及轉錄組分析，設計構建的新菌種可以高效生產黃體酮前體支鏈醇、A 環開環物（谷內酯）、A-環酮酸、雄烯二酮等一系列甾體化合物及中間體［80-81］，使19-去甲雄烯二酮合成反應步驟由原來化學轉化的14 步，縮短至生物轉化的2 步，在國際上首次實現以大豆甾醇為原料規?；a，取得良好經濟效益，提升了該產業的國際競爭力。

4 天然產物合成生物制造

目前全球使用天然藥物的人數約40 億，占世界總人口的80%。天然藥物銷售額約占全球醫藥銷售總額的30%，并且每年還以15%的速度增長，因此傳統的種植業已經難以滿足社會發展需求［82］。同時多數天然產物結構復雜，化學合成途徑煩瑣，得率低、能耗高、污染重，難以實現環境友好的規?；a。借助合成生物學，構建合理的合成途徑及菌種生產天然產物，為其產業長久發展提供了新的思路［83］。

4.1 天然產物合成生物制造國際進展

近年來，全球研究人員在植物天然產物的合成生物學領域取得了多項成果，成功創建了萜類化合物和苯丙素類等植物天然產物的人工合成菌種。青蒿素的微生物合成就是成功的典范，通過十多年努力，花費超過5000 萬美元，得到青蒿素前體的產量25 g/L［84］。抗癌藥物紫杉醇是備受關注的另一個重要案例，將設計改造的紫杉二烯合成酶導入大腸桿菌中，并對功能模塊進行精確調控，獲得生產紫杉醇前體化合物——紫杉二烯的菌種，產量比以前報道的提高了1 萬倍以上［85］。在鎮痛藥物的生產方面，通過利用改造的酵母從糖中直接生產阿片類化合物的蒂巴因和氫可酮以及那可丁的方法，整個過程大約只需3～5 天，可顯著地縮短其生產周期［86-87］；在俗稱“腦黃金”的長鏈脂肪酸DHA 生產方面，在產油酵母解脂耶氏酵母中設計和構建了人工不飽和脂肪酸（PUFA）生物合成基因簇，最終在磷酸鹽限制條件下，營養篩選可使PUFA 產量大大增強，在已報道PUFA生產的解脂耶氏酵母菌株中，該研究所獲得總脂肪酸中DHA（16.8%）含量最高［88］。近期，通過將大麻素前體大麻萜酚酸（CBGA）合成途徑導入酵母細胞，并通過替換植物來源的異戊二烯轉移酶成功實現CBGA 工程微生物體內合成的突破，借助合成生物學手段通過使用發酵罐合成出需要經過人工6 個月才能種植提取出來的大麻素［89］，又成為合成生物制造領域的一個突破性進展。

4.2 天然產物合成生物制造國內進展

我國在植物天然產物生物制造方面已經取得了眾多進展。人參皂苷是是一種固醇類化合物，被視為人參中的活性成分，具有抗腫瘤等功能。目前利用人工栽培人參、西洋參生產的人參皂苷類化合物產量已經遠不能滿足社會的需求，亟待新的資源途徑。通過在釀酒酵母中構建原人參二醇的全新生物合成途徑，結合關鍵基因的表達活性改造提升及雙相發酵工藝優化，原人參二醇的產量提高到1 g/L［90］；隨后，獲得了能同時合成齊墩果酸、原人參二醇和原人參三醇3種人參基本皂苷元的第一代“人參酵母”［91］。通過分子工程、過表達關鍵酶基因、定向進化等工程策略構建人參皂苷酵母細胞，提升前體物碳供應、目標產物轉化率，最終可實現搖瓶179.3 mg/L及批式添加發酵2.25 g/L 的歷史突破［92］，1000 m2車間里“人參酵母”生產人參皂苷的能力相當于十萬畝人參種植，成本是人參種植提取的1/4。其他天然產物如β-胡蘿卜素、番茄紅素、天麻素、紅景天苷等在生物制造方面也取得了巨大的進展（表2），必將顛覆傳統種植提取模式。

表2 我國天然產物合成生物制造進展Tab.2 Progress of synthetic biomanufacturing of natural products in China

5 未來農產品合成生物制造

由于全球人口的持續增長，地球出產農業產品的能力將接近極限。據預測，到2050 年全球人口增長到100 億左右，屆時地球將無法為人類提供足夠的食物。例如從1961 年到2007 年，世界人均肉類消耗量已經翻了一番，據聯合國預測至2050 年還會再翻一番。如何為全世界人口提供足量健康的農產品將成為未來全球面臨的艱巨挑戰。數千年來，人類的農產品始終依賴于動、植物提供，但是合成生物學的發展，可以使人們通過發掘動、植物的營養、功能成分合成的關鍵遺傳基因元件，有可能對跨種屬的基因進行組合，采用人工元件對合成通路進行改造，優化和協調合成途徑中各蛋白的表達，創建淀粉、蛋白、油脂以及其他營養功能因子的高效人工生物合成路線，形成嶄新的細胞工廠，顛覆現有的農產品生產與加工方式，擺脫人類所需營養素及天然化合物對資源依賴和以環境破壞為代價的發展。目前，隨著生命科學與技術的快速進步與發展，利用合成生物學等手段，構建具有特定合成能力的細胞工廠種子，不僅可以生物合成制造香蘭素、白藜蘆醇、甜菊糖苷等一系列高附加值農業相關產品，合成制造淀粉、油脂、健康糖、牛奶、素食奶酪、各種蛋白（膠原蛋白、蠶絲蛋白、肉類蛋白及卵蛋白等）和肉類的技術也日趨成熟。這些新技術將顛覆傳統的農產品加工生產方式，形成新型的生產模式（圖2），促進農業工業化的發展［103-104］。

5.1 油脂生物制造

圖2 未來農產品合成生物制造Fig.2 Schematic diagram for synthetic biomanufacturing of future food

油脂是人類生活必需的營養成分，目前人類食用油脂主要來源于植物和動物。微生物油脂是繼植物油脂、動物油脂之后開發出來的又一人類食用油脂新資源。微生物細胞工廠產生油脂的過程，本質上與動植物產生油脂的過程相似，都是從乙酰CoA 羧化酶催化羧化的反應開始，然后經過多次鏈延長，或再經過去飽和作用等完成整個生化過程。自20 世紀80 年代以來，開發利用微生物進行功能性油脂的生產成為一大熱點，利用微生物細胞工廠生產的γ-亞麻酸（GLA）、花生四烯酸（AA）、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）等營養價值高且具有特殊保健功能的功能油脂產品，相繼在日本、英國、法國、新西蘭等國投入市場。因此，合成生物學技術構建的細胞工廠種子，淀粉、油脂以及蛋白質等基礎性農產品都可以實現工業車間制造，將有望終結農藥化肥的使用，減少對土地的依賴和污染，推動農業工業化發展，為解決全球人口的農產品供給問題提供新策略。

5.2 植物基肉、蛋、乳制品生物制造

此外，植物基肉、蛋、乳制品也開始逐漸普及，滲透進大眾日常生活中。美國加州Impossible Foods 公司創建了人造牛肉關鍵組分血紅素蛋白的酵母細胞工廠［105］，結合植物蛋白組分合成了人造牛肉，可以節省74%的水，減少87%的溫室氣體排放，需要的養殖土地面積也減少了95%，并且不含激素、抗生素、膽固醇或人造香料。Perfect Day公司利用細胞工廠技術，創建了能夠合成牛奶香味和營養成分的人工酵母，通過酵母細胞工廠發酵生產牛奶一樣的蛋白質，有可能徹底改變乳品行業；由于全球大約75%的人口乳糖不耐受，亞洲人尤其多，人造牛奶的口味和營養與天然牛奶相同，不含膽固醇和乳糖，適用人群也更廣，而且產生的碳排放減少了84%，有望成為下一代重要的牛奶替代品。此外來自硅谷的Clara Foods科技公司，通過酵母細胞工廠構建、發酵合成乳清蛋白，是利用分子合成技術生產動物蛋白的范例；美國Hampton Creek 公司研發出含蛋類替代品“人造蛋”，以獨特技術將種植于加拿大的豌豆和多種豆類植物混合，制作出味道和營養價值可與真雞蛋媲美的植物蛋產品，產品保存時間更長，營養價值和味道與真蛋相似，此類“植物蛋黃醬”已經在香港等地的超市“亮相”銷售［106］。

生物技術的發展已經讓微生物細胞工廠成為“新型種子”，從牛肉、牛奶、牛胰島素到牛膠原蛋白，所有的奶牛制品能用發酵罐生產，進而合成制造替代養殖奶牛獲取奶制品。結合關鍵組分合成、3D 打印、蛋白仿真等技術，未來農產品生產將完全不同于傳統生產模式。相比動植物制品，人造農產品中蛋白質組分、鐵含量、脂肪含量等更容易控制，更利于健康。例如針對能增加患心臟疾病風險的膽固醇，人造農產品可以做到完全剔除，而且生產成本低，生產過程不含抗生素和激素。隨著人們對健康、環保及美味食品的追求，利用微生物細胞工廠作為種子，創制出包括淀粉、蛋白、肉類、牛奶以及雞蛋等未來農產品，不僅能為人類提供美食味道和營養，而且無需種植作物和養殖動物。隨著技術的發展，越來越多農產品的未來，將走向人工制造的道路，這也將是無激素及抗生素等農殘、無食品過敏源、價格更低以及溫室氣體排放更少的農產品生產發展趨勢。

6 一碳原料人工生物轉化利用

大宗發酵產品、可再生化學品與聚合材料等生物制造已經取得長足的發展，但受限于糖基底物無法持續穩定供應及成本因素考慮，亟需開發更加經濟的底物來進行生物制造，降低生產，提高經濟可行性。目前，一碳原料包括CO2、甲烷、甲醇、甲醛和甲酸鹽等，被認為是廉價和可持續原料，有望徹底改變合成生物制造［107］。一碳原料來源廣泛，既可以由有機廢物產生，也可從石化廢氣中得到，利用一碳原料能夠解決化學轉化能耗高、污染重、自然生物轉化效率低的問題，也因此這一領域成為科學界和產業界共同關注的焦點。近年來，隨著合成生物學的發展，通過元件挖掘與設計、合成途徑創新與優化、細胞性能優化等新思路為一碳原料利用提供了重要技術支撐。

6.1 甲醇原料利用

甲醇作為一種一碳原料，可由甲烷或合成氣（H2和CO）規?；苽?。目前，研究者已通過直接改造甲基營養菌來生產一些化學品，但受限于遺傳工具、產物純度以及滴度的限制，還未能實現技術經濟的可持續性［108］。在合成生物學的助力下，研究者已經開始探索人工構建合成甲基營養菌。通過對大腸桿菌進行理性設計，將甲醇和葡萄糖酸鹽的代謝相耦合，經實驗室進化獲得了依賴甲醇和葡萄糖酸作為共同底物生長的進化菌株，同位素標記實驗證明進化菌株由甲醇轉化的中心碳代謝物占比24%，甲醇消耗速率亦達到與天然甲基營養菌相當的水平［109］。通過對大腸桿菌進行工程設計，并使用添加氨基酸的培養基進化出甲醇依賴的菌株，最終在以13C 標記的甲醇作為底物的分批補料發酵中，甲醇到丙酮的轉化率為22%，遠高于先前甲基營養型大腸桿菌2.4%的轉化率水平［110］。與此同時，改造谷氨酸棒狀桿菌進行甲醇轉化的研究也在進行，通過理性設計構建了高效利用甲醇的甲醇依賴型谷氨酸棒桿菌，結合適應性進化策略，實現工程菌株在甲醇-木糖混合碳源的礦物培養基中生產速率提升20 倍，而甲醇-木糖利用比率達到3.83∶1，為繼續深入研究全合成甲醇營養工程菌奠定了基礎［111］。

6.2 甲酸原料利用

甲酸同樣是值得期待的一碳原料，甲酸來源廣泛，但自然界中能夠利用甲酸的微生物在能量利用、生產速率、工程改造方面難度極大，研究者嘗試在工程菌中引入天然途徑或構建新型甲酸途徑。通過計算建模，設計合成了非天然的還原甘氨酸途徑（reductive glycine pathway， rGlyP），該途徑在效率上與還原性乙酰輔酶A 途徑/Wood-Ljungdahl 途 徑（reductive acetyl-CoA pathway，rAcCoAP）相當，但是rGlyP 卻不需要氧敏感酶的參與，使rGlyP 途徑的應用更加廣泛［112］。通過引入三種外源基因（Me-FTL、Me-Fch、Me-MtdA）及過表達四種內源基因構建重組大腸桿菌，構建了以甲酸鹽和葡萄糖為底物通過rGly 途徑來合成絲氨酸，經檢測，菌體中10%碳組分來自于甲酸，其余來自葡萄糖［113］。

6.3 CO2原料利用

CO2是主要的溫室氣體，同時也是一種取之不盡、用之不竭的廉價一碳原料，以CO2為原料的生物制造既可以減少CO2排放，又可以提供碳基燃料和化學品。通過合成生物學技術，利用和固定CO2取得了重要進展［114-115］。通過產乙酸菌轉化合成氣（H2/CO2或CO）生產乙酸，后取發酵上清液培養酵母工程菌以生產脂質化合物，最終經過底物和發酵過程優化，脂質化合物濃度可達115 g/L，此種兩步法聯合培養展現了利用CO2等一碳原料進行生物制造方面的巨大潛力［116］； 利用光合微生物作為光吸收體開發的微生物光伏（BPV）為可再生能源生產提供了生物學方案，但由于光合微生物外電子活性很弱，BPV 的強度很難提高，通過結合光合藍細菌和可產生電子的希瓦氏菌構建新型BPV，實現了利用光能固定CO2，同時生成電流，為BPV 的進一步研究開拓了新的方向［117］；通過代謝性逆合成分析形成初步框架，從包括人類、植物和微生物在內的9 種生命體中選擇了16 個不同來源的酶，構建了一條比植物更高效的固定大氣中CO2的合成途徑，成為了六種自然進化的CO2固定途徑之外的第七種方法，為CO2人工生物轉化利用開辟了新路徑［118］。

盡管一碳原料生物經濟潛力巨大，但需要解決的問題同樣很多，比如怎樣提升還原力和能量輸入以便更加高效地吸收利用底物等。未來通過對天然酶的定向進化或者從頭設計新酶將會是實現一碳原料生物制造的關鍵。

7 合成生物制造展望與發展趨勢

合成生物支撐的生物制造產業正在成為快速發展的戰略性新興產業，將引領新的產業模式和經濟形態。通過利用合成生物高效合成稀缺的醫藥、實現精細化工產品的綠色工業生產，為傳統產業走出資源環境制約提供了嶄新思路。合成生物制造是物質財富創造的新模式，是大幅度提升綠色指數的最佳選擇。特別是，最近席卷全球的新冠疫情正在進一步重塑世界經濟社會發展格局，在可預期的未來，人類生活與生產模式將發生深刻變化，醫藥與健康系統、食品與農業系統、能源與材料系統等新的科技需求將推進生物技術領域發生重大變革，后新冠時代的生物制造產業面臨著歷史性的振興機遇與全新的挑戰。日本經濟產業省的研究報告分析指出，工程化生物細胞及其與信息/人工智能技術的組合將成為“后第四次工業革命”的主要驅動力。

近年來合成生物學技術展示出驚人的應用潛力，且進展迅猛，利用合成生物可生產多種高價值代謝產物，廣泛用于藥品、保健品、食品等諸多行業，相比之下前景看好的大宗化學品及其衍生物并沒有展示出預期的發展速度，原因主要為底物受限、成本高昂、經濟性差。因此，要大力發展非糧原料，消除與人爭糧的矛盾，同時探索新型固碳方式，開發利用來源廣泛的一碳化合物的技術，創造全新碳利用方式。隨著世界范圍內人類對于環境保護意識增強，合成生物學技術必須從綠色發展戰略考慮其方向，并且要從全產業鏈層面思考綠色合成生物制造，從合成生物設計構建到后期產品分離，都要最大限度降低甚至避免對環境的影響。

合成生物學至今仍然以自然生物的設計改造為主開展研究，利用合成生物產物絕大部分為天然化合物，與之矛盾的是絕大多數化學品并沒有天然生物合成途徑，這是合成生物學未來發展將直面的巨大挑戰，因為目前為止可以實現從頭創建全新非自然合成途徑的報道極少；同時這也展示了合成生物學巨大的發展機會，隨著技術的發展有望實現顛覆性的革新；新世紀人工智能、大數據等技術為科學發展創造出新的可能，同樣合成生物學也可將其引入自身體系，全面整合生物合成途徑規?；馕觥⒃旖ㄔO、生物途徑高通量組裝和優化、人造系統的調試等技術，人工構建全新合成途徑，生產新型化合物，服務人類發展。

未來，將合成生物學應用于合成生物制造，可以讓越來越多大宗發酵產品、精細與醫藥化學品、可再生化學品與聚合材料、天然產物、未來農產品以及一碳原料等合成生物制造成本持續降低，促進經濟社會可持續發展。