萬物可創：合成生物學應用前景廣闊

文·圖/李偉

合成生物學應用前景廣闊

改造微生物

合成生物學應用于人造食品領域

剛剛過去的2022年，被視為合成生物學應用大爆發“元年”，各個領域的突破為合成生物學技術的應用提供了更多想象空間和可能性。作為生物制造產業的核心技術，合成生物學以其前沿性和顛覆性備受關注。

“精確生產”我們需要的東西

合成生物學區別于傳統生命科學（如基因科學、微生物學、生物化學等）的核心是其“工程學本質”——按照人們的需求，設計出相應的“產品”。與各種設備一樣，人工合成生物有明確的應用目的。

人類數千年前就開始利用天然微生物，比如釀酒用的酵母。這種技術是基于偶然的發現，且一種微生物一般只能生產出一種產品。想要“釀造”別的食品，又得經歷漫長的過程，在億萬種微生物中大浪淘沙。其偶然性決定了這樣的方式是十分低效的。

有了合成生物學，科學家就可以改造微生物自身的構造，創造出自然界中原本不存在的微生物，甚至讓它們與半導體等人造物質結合，“精確生產”我們需要的東西。

根據麥肯錫咨詢公司發布的數據，未來10—20年，合成生物學每年對材料、化學和能源等產業的直接和間接經濟影響，可能在2000億—3000億美元之間。

中美兩國對合成生物學的布局都較早，已發布多幅科技路線圖，包括“半導體合成生物學”“工程生物學”“微生物組”“工程生物學與材料科學”等。這些路線圖關注跨學科的交叉融合，進一步明確了合成生物學未來20年的發展方向和目標。

農業和食品生產

天然微生物產出的一些物質可以作為農藥，遠比化學農藥高效、安全，且對環境更為友好，在植物病蟲害防控及保護糧食安全領域具有不可或缺的作用。

除蟲菊酯是菊科植物天然生成的一種物質，它對蜜蜂、蝴蝶等農業益蟲無毒，卻能有效殺傷多種害蟲。它對大多數哺乳動物不會產生危害，在環境中留存的時間也比較短。獲取這種物質的常規方法是大量種植菊花，然后提取除蟲菊酯。這不僅需要較長的時間，而且萃取化學物質的工序頗為繁雜，所以天然除蟲菊酯的產量受到限制。

借助合成生物學技術可以解決上述問題。根據菊花制造除蟲菊酯的過程，合成植物細胞中參與相關工作的“元件和流水線”，把它植入微生物細胞，就可以大量繁殖有用的微生物，生成除蟲菊酯。

在食品開發領域，合成生物學已經能夠產出完全還原質地和口感的產品。以人造蜂蜜為例。在自然環境中，蜜蜂制造蜂蜜的方法是把花粉吞下，在其體內進行微生物發酵，再吐出來，即形成蜂蜜。利用合成生物學技術，可以把微生物放入培養體系，模擬蜜蜂體內的發酵過程。應用合成生物學的目的不只在于節省成本、提高效率，還有更深遠的意義。仍以人造蜂蜜為例。大規模養蜂容易對野生蜜蜂種群造成沖擊。如果能夠把蜜蜂從蜂蜜的供應鏈中“解放”出來，就有利于更好地保護生物多樣性。

醫療領域

在治療癌癥方面，合成生物學的思路是改造微生物，將特定的微生物轉化成更具針對性、更智能、更高效的抗癌“武器”。被改造過的微生物一方面能夠“喚醒”人體自身的免疫細胞，讓它們積極工作；另一方面能幫忙運送藥物分子。目前一些人造微生物已進入臨床治療前的試驗研究階段，并取得了比較理想的效果，有望成為用于治療癌癥的活體生物藥劑。

在基礎診療方面，合成生物學也有用武之地。美國麻省理工學院合成生物小組的研究人員，把人造微生物植入水凝膠，讓它附著在人體皮膚表面上。當這塊生物材質接觸特定的物質時，植入的微生物就會因受到刺激而發光，提醒研究人員，“有某種化學分子存在”。該技術可用于檢測有毒物質、病原體、過敏源，甚至可以通過皮膚對患者作初步的醫療診斷。

醫美是當下頗具經濟前景的一條賽道。利用合成生物學技術實現量產的天然高分子材料PHA（聚羥基烷酸酯），正在被市場所接受，從而成為“輕醫美”的上佳選擇。PHA降解周期小于6個月，在所有自然環境中都可以完全降解為水和二氧化碳。

新能源和新材料

近年來，新能源概念逐漸深入人們的日常生活。為了減輕對污染環境的化石能源的依賴，人們一直尋求無污染的新能源。除了耳熟能詳的風能、太陽能外，生物能源也是重要的探索方向。

萬物可創

光合作用對空氣中碳元素的利用率接近100%，但整個過程的能量轉換效率較低，一般在5%以下。利用合成生物學技術，情況就完全不同了?？茖W家探索將固態半導體光吸收器和一些微生物融合，形成“半導體-細胞混合體”，讓生物能夠更有效地捕捉光能，并將其轉移到糖類等物質中固定下來。在另一些研究中，科學家試圖改進微生物對糖的利用效率，使它們能夠將糖分轉化為汽油、柴油、乙醇等燃料。一旦這條路走通了，那么從空氣中提取清潔燃料將由夢想變為現實。

現有的新能源技術與相關產品，也可以利用合成生物學技術進行改進。例如氫燃料電池具備高效、清潔的特點，但其成本較高，因為要用一些貴金屬來做催化劑。利用合成生物學，可以讓微生物把一些纖維素加工成具有特定的孔隙、表面積較大的水凝膠，以替代貴金屬（比如鉑金）充當催化劑。如此一來，氫燃料電池的成本就能夠大幅下降。

人類對特殊生物材料及其性能抱有濃厚的興趣。比如蜘蛛絲的機械性能，又如河里、海里的貝類能粘在巖石上，等等。化工和傳統的生物發酵工程，都在解析、還原生物成分上一籌莫展，因為蛛絲蛋白、肌連蛋白等超高分子量的蛋白質，分子信息量過大，難以人工合成。借助合成生物學的發展，科學家可以把海洋貽貝的黏液分泌腺體摘出來單獨培養，或者直接用工程細胞來仿制，直到把微生物改造成擁有超高分子量的蛋白質。