萬三| 二氧化碳人工合成澱粉背後：合成生物學——構建未來的製造方式
【文/觀察者網專欄作者 萬三】
“細胞治療做了這麼多年，感覺要做不下去了，但有了合成生物學，感覺希望又來了”，中國科學技術大學生命科學學院教授田志剛如此感嘆。
合成生物學，是一門運用基因操作工具等調節和改造生命行為，或再創生命形式的工程學科，它正在為諸多或迫在眉睫，或前景廣闊的應用帶來希望。
中國合成生物學最早發起人之一的趙國屏院士這樣解釋：合成生物學區別於其他傳統生命科學（如基因科學、微生物學、生物化學等）的核心是其“工程學本質”——合成生物學最主要的任務，是要按人們的需求，設計出相應的“產品”。
就跟設計製造冰箱是為了製冷儲存食物一樣，人工合成生物，有着明確的目的與明確的產物。
舉個例子，人們其實從幾千年前就僱傭微生物給自己幹活了，比如為讓人們“痛快喝一杯”而默默耕耘的釀酒酵母。然而這種合作是偶然間達成的，長期以來人類只能通過偶然發現一個工作夥伴的形式，與微生物合作。喝完啤酒第二天人想喝酸奶了，酵母菌就沒用，只能出門左拐找乳酸菌。第三天人類想要“釀”點別的東西，又得去億萬種細菌裏大浪淘沙。這樣的方式十分低效。
有了合成生物學，科學家可以改造細菌自身的構造，創造出自然界根本不存在的生命，甚至讓它與半導體等人造物質結合，精確生產出我們需要的東西。
如今，合成生物學已經與納米技術、機械工程、大數據、AI學習等多領域相結合，在製造業、醫療、能源、農業、消費品等領域落實應用。
一、助力農業發展
去年9月，中科院團隊完成二氧化碳人工合成澱粉的重大突破，今後，費時費地的農業過程，可能會變成高效集中化的工業過程。
這背後，是合成生物學家十多年“設計-合成-測試-學習”的反覆嘗試。
誠然，用這種方法轉換澱粉的成本尚不能與農業種植競爭，但合成生物學也已經在其他諸多方面協助農業生產。
微生物天然產出的一些物質可以作為農藥，遠比化學農藥要高效安全、對環境友好，在植物病蟲害防控及保護我國糧食安全領域具有不可或缺的戰略地位。例如除蟲菊酯就是菊科植物天然會產生的一類物質，它對蜜蜂、蝴蝶等農業益蟲無毒，卻能有效殺傷多種害蟲。且對哺乳動物很友好，在環境中停留的時間也很短。
常規方法要獲得除蟲菊酯怎麼辦呢？種菊花唄，然後再想辦法從植物內提取。下圖就是漂漂亮亮的除蟲菊：
但種菊花要時間，收割後萃取出想要的化學物質又要一陣折騰，所以產量不夠大，成本也比較高。畢竟植物只是為了活下去，順手產點除蟲菊酯，不是為了給人類製造生物農藥而生的，所以它體內的除蟲菊酯含量也不高。
合成生物學的思路是，先搞清楚植物怎麼造出除蟲菊酯的，再把植物細胞中能夠幹活的“元件”流水線式組裝入微生物細胞中，讓能夠大量繁殖養起來又便宜的細菌來當代工廠。等技術成熟後不怕不夠用。
二、醫療新曙光
怎樣將合成生物學技術轉化到醫療應用上的研究，受到了科技界和醫學界的廣泛關注。
大家可還記得120萬元/支的天價癌症藥CAR-T？這種治療癌症的技術從患者的血液中取出T-細胞，一頓量身定做的改造後，讓它們學會識別並攻擊患者體內的癌細胞。聽着很美好，但它有使用範圍限制和一旦發生了很麻煩的副作用：識別錯了的話，會把自己人一頓猛毆。
而合成生物學有望讓CAR-T細胞小分隊自帶邏輯線路，判斷治療過程中出現的變化，精準攻擊的同時不要誤傷無辜。
中國科學技術大學生命科學學院教授田志剛感嘆：“細胞治療做了這麼多年，感覺要做不下去了，但有了合成生物學，感覺希望又來了。”
對付癌症，合成生物學的另一種思路是改造細菌。中國科學院深圳先進技術研究院團隊就在將細菌成更具針對性、更智能、更高效的抗腫瘤“武器”。被改造過的細菌一方面能夠“踢醒”人體自身的免疫細胞，讓它們起牀幹活了，這裏有癌症；另一方面能幫忙運送藥物分子。目前，該團隊改造的人工細菌已進入臨牀前研究階段並取得理想療效，有望成為全球首個用於治療實體瘤的活體生物藥物。
（工程細菌識別並作用於癌細胞的示意圖，圖源：genengnews.com）
基礎診療方面，合成生物學也有用武之地。麻省理工學院合成生物小組的研究員把改造細菌植入可重複拉扯彎曲的水凝膠，能夠黏附在人類皮膚表面。當這塊生物材質接觸到特定的物質後，植入的細菌因而受刺激而發光，提醒科學家有某種化學分子存在。該技術未來可能應用在防護手套上檢測有毒物質、病原體、過敏源，甚至放在人的皮膚上作初步醫療診斷。
（有了這樣的手套，以後再有刁民想毒死朕就沒那麼容易了！圖源：MIT News）
醫美是另一條當下頗具經濟前景的賽道。能夠以合成生物學技術量產的天然高分子材料PHA（聚羥基烷酸酯），正被市場視為輕醫美的最佳選擇。PHA降解週期小於6個月，在所有自然環境中都完全降解為水和二氧化碳。
PHA藥物微納載體的降解能力更緩慢，生物相容性更好，其降解速度比聚乳酸（PLA）慢，是眾多生物可降解材料中較慢的一大類，正因其降解產物釋放較緩慢，對人體環境刺激更小，將在醫美填充物與護膚原料、手術縫線等應用場景中發揮作用。
藍晶微生物是全球第三家、國內第一傢俱備PHA大規模生產技術的企業，其已與某上市公司簽署協議，成立合資公司，共同完成產品的研發、合規化申報及後續商業化推廣。
三、人造食品
人造肉的概念近年來同樣風風火火，它可能是公眾眼中最知名的合成生物學應用方向。遺憾的是，不管拿植物蛋白合成的肉，還是直接培養動物細胞，目前的人造肉口感上還和真肉有差距，價格也不便宜，消費者接受度一般。但由於人們對肉類的渴望遠沒有到頭，但凡大家還在對夜宵燒烤念念不忘，只需要傳統養殖業1%的土地和1%的水就可以生產出肉品的人造肉，還是有廣闊的前景。
另一些人造食品顯得更成功，更讓人期待。例如品行業巨頭雀巢正在研發將人類泌乳細胞在環境接近乳房的培養基中進行體外培養，經誘導後產出母乳。如此一來沒有條件進行母乳餵養的母親，就能獲得比配方奶粉更好、營養更還原的替代品。
（圖源：biomilq.com）
目前合成生物學能做到完全還原質地與口感的產品，是人造蜂蜜。自然環境下蜜蜂製造蜂蜜的方式就是把花粉吞下去，在胃裏進行微生物發酵後吐出來。合成生物學所做的便是把微生物放到培養體系中，模擬蜜蜂胃裏發生的過程。
這麼做的目的並非脱褲子放屁，大規模養蜂業容易對野生蜜蜂種羣造成衝擊，而把蜜蜂從蜂蜜的供應鏈中剔除，能夠更好地保護生物多樣性。
（不要蜜蜂造蜂蜜，真的不是吹牛bee，圖源：melibio.com）
倘若帶上不是給人吃的，就不得不提去年10月中國農業科學院飼料研究所搞出來的耀眼大新聞「工業化一氧化碳合成蛋白質」。這項合成乙醇梭菌蛋白的技術已經具備萬噸級的工業產能，可以做飼料拿去養殖場給豬牛羊雞吃了。
雖然細菌製造出來的蛋白不能完全代替豆粕，但還是有望緩解我國每年1億噸的大豆進口壓力。對保障糧食安全意義重大。
四、可持續新能源
近年來新能源的概念也逐漸滲入人們的日常生活，誰身邊還沒幾個開着新能源車，緊盯新能源板塊基金股票的朋友呢？為了不把身家性命綁死在會被用完且污染環境的化石能源（主要是石油）上，人們一直四處尋求可持續的新能源備胎。除了大家耳熟能詳的風能、太陽能外，生物能源也是一個重要的探尋方向。
例如默默無聞的植物其實是利用能源上很有一手。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非常低，一般在5%以下。合成生物學的腦洞就很大了，奇思妙想一個接一個——科學家探索將固態半導體光吸收器和一些細菌整合成半導體-細胞混合體系的可能性，讓生物能夠更有效地捕捉光能，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，使得它們能夠將糖分轉化為汽油、柴油、乙醇等燃料。
一旦整條通路被打通，直接將空氣變成清潔燃料便不再是白日做夢。
現有的新能源技術與相關產品，能期待與合成生物學相配合的地方也很多：
例如氫燃料電池大家都説好啊！高效清潔無排放。唯一的問題是好貴，因為要用到一些貴金屬催化劑，搞得去年鉑金價格一路上漲。利用合成生物學，可以讓微生物把一些纖維素加工成具有指定孔隙，大表面積的水凝膠，去替代貴金屬（比如鉑），電池成本也就隨之降低。鉑金項鍊也能跟着便宜點買到，何樂而不為。
還有廢舊電池回收一直是個大難題，現有的方法二次污染大，回收有用金屬的效率也不咋滴。
電池回收受到高成本、高能量密度和苛刻處理條件的限制。改進微生物或無細胞系統的新方法可以通過多種化學物質來提高能量儲存的回收技術。如今人們已經發現一些特殊微生物非但不會被重金屬毒死還能倒過來利用它們。例如能夠利用鈷給自己做金屬盔甲保護自己的“鋼鐵俠”硫還原地桿菌。合成生物學正在試圖改進出更高效工作的菌種，為人們將廢舊電池中的重金屬元素提取並回收。
（大家正在指望“鋼鐵俠”細菌能回收鋰電池中的鈷，圖源：thehindu.com）
五、新型材料
人類對特殊生物材料抱有濃厚的興趣。比如蜘蛛絲開了掛一樣的機械性能，比如河裏海里的貝類為什麼能黏在岩石上，而我手裏的固體膠一沾水就徹底完犢子？
化工和傳統的生物發酵工程都在解析、還原成分上一籌莫展，因為蛛絲蛋白、肌連蛋白等超高分子量的蛋白質信息量爆表了，普通細菌難以合成。此時合成生物學表示：我不跟你們折騰這些有的沒的。來人！給我把海洋貽貝的黏液分泌腺體摘出來養，或者我直接拿一些工程細胞來模仿這一過程，要麼我把細菌基因改造到能接受這樣的信息量為止，然後從製造各種分子到組裝起來一條龍！
總之，合成生物學是新一輪生命科技研究必爭之地。
根據麥肯錫發佈的數據，未來10到20年，合成生物學每年對材料、化學和能源的直接和間接經濟影響可能達到2000億到3000億美元。認識細胞並利用其內置或合成功能將會產生巨大的經濟影響。
美國對合成生物學的佈局比較早，近年來更是連續發佈了多份科技路線圖，包括“半導體合成生物學”“工程生物學”“微生物組工程”“工程生物學與材料科學”等，這些路線圖都更加關注跨學科的交叉融合，進一步明確了面向未來20年的發展目標和方向。2021年《美國創新與競爭法案》中，合成生物學位列關鍵競爭技術。
相應的，我國從2008年開始，中國科學院合成生物學重點實驗室在上海成立。2012年國家科技部發布了合成生物學路線圖，2020年“十四五”規劃又將合成生物學列入科技前沿領域攻關方向。
人類對自然造物的挑戰不光是多與少的較量，還在精密性上不斷突破自然生命的限制。
2020年，人造物質量已經大於1,100,000,000,000噸，超過了全球所有生物加起來的質量。
（圖源：參考文獻[13] ）
人類，已經成為塑造地球表面的主導力量。
但人類的目的不是顛覆自然，而是更好地與地球共存，長遠生存下去並過上更好的生活。
基於這一共同願景，有着“第三次生物技術革命”之稱的合成生物學，註定成為下一個新的主導產業，將深刻改變世界經濟發展模式和人類社會生活方式。
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