這是2023年4月17日拍攝的深圳光明科學城啟動區內的合成生物研究大科學裝置
當不同的原料在實驗室中相遇,會擦出怎樣的火花?
最近,合成生物的概念迅速升溫,并延伸至資本市場。業內人士認為,合成生物作為21世紀生命科學領域的顛覆性技術之一,其應用非常廣泛,前景可期,也已有不少國家將之作為發力的關鍵領域。隨著合成生物學研究不斷走向深入,其在節約能源、低碳環保等領域的諸多潛在優勢正逐步顯現。
“生物制造+”競速
用二氧化碳制糖?你沒聽錯。空氣中的二氧化碳和糖看似并無關聯,如何從前者轉變為后者,這一看似不可能已經成為現實。
2021年,在位于天津空港經濟區的中國科學院天津工業生物技術研究所實驗室內,從二氧化碳到淀粉的人工合成落地成真,很快蜚聲海內外。兩年后的2023年,站在合成淀粉成果的“肩膀”上,該研究所與中國科學院大連化學物理研究所科研團隊合作,實現了又一次創新飛躍——從二氧化碳到糖的精準全合成。
研究所內從事此項研究的楊建剛說,這一在實驗室里結出的碩果,為研究人員擺脫自然條件的束縛、利用二氧化碳創造多樣的糖,提供了切實可行的途徑。
科研團隊從碳素縮合、異構、脫磷等酶促反應入手,用人工方式改造自然來源酶催化劑的催化特性。進入實驗操作環節,研究人員將二氧化碳等原料在反應溶液中按一定比例調配,在人工改造過的酶等催化劑的催化作用下,高效、精準地獲得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4種己糖。
楊建剛表示,該過程的碳轉化率高于傳統植物光合作用,比已知的化學法制糖,以及電化學-生物學耦合的人工制糖方法都有更高的效率。與通過種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統方式相比,糖的獲取時長實現了從“年”到“小時”的跨越。
二氧化碳在實驗室的“蛻變”,是如今火熱的合成生物的縮影。通俗來講,合成生物技術是一種全新的“造物”技術,可以理解為生物學的工程化。它融合了生物學、化學、工程學等多種技術,以可再生生物質為原料,以生物體作為生產介質,旨在利用廉價原料,以菌種、細胞、酶為制造工廠,通過規模化發酵獲得目標產品,具有清潔、高效、可再生等特點。
作為一門前沿交叉學科,合成生物學適用范圍基本涵蓋了醫藥、健康、制造、農業等大多數領域。尤其是在食品、化妝品、功能性營養品等行業,其應用能夠最快實現產業化,并大大提高這些行業的生產效率,前景廣闊。
在近期舉辦的2024中關村論壇年會上,中國工程院院士、北京化工大學教授譚天偉對合成生物的未來寄予厚望。他表示,生物經濟將有望成為繼農業革命、工業革命、數字革命之后,引領未來的第四次產業革命的重要力量。生物制造是新質生產力非常重要的新賽道和新業態,目前由國家發展改革委牽頭,工業和信息化部和科技部等國家部委正在聯合研制國家生物技術和生物制造行動計劃,并且有望在近期出臺,“生物制造+”是其中的關鍵內容。
2025年,1000億美元
合成生物究竟會給人類的經濟社會發展帶來怎樣的改變?從已有成果即可窺見一二。
以其對經濟的帶動作用來看,正如譚天偉所說,隨著生物技術進一步取得突破性進展,生物制造有望向采礦、冶金、電子信息、環保等領域拓展,發展前景十分廣闊,將成為經濟增長的重要引擎。
麥肯錫數據顯示,預計到2025年,合成生物學與生物制造的經濟價值將達到1000億美元,未來全球60%的物質生產可通過生物制造方式實現。
當前,國內從中央到地方紛紛出臺合成生物相關支持政策。國家發展改革委印發的《“十四五”生物經濟發展規劃》多處提及“合成生物”;上海出臺《上海市加快合成生物創新策源打造高端生物制造產業集群行動方案(2023-2025年)》,計劃到2030年,建設合成生物全球創新策源高地、國際成果轉化高地和國際高端智造高地,基本建成具有全球影響力的高端生物制造產業集群;杭州、常州等多地出臺了鼓勵政策。
當前,全球資源短缺、環境污染、氣候變化等問題日益突出,合成生物技術為破解這些發展困境,實現可持續發展提供了可行的路徑。
同樣以二氧化碳到糖的轉變為例,“二氧化碳-生物質資源-糖”的傳統加工過程,受到植物光合作用能量轉換效率限制。由于土地退化和短缺,全球氣候變暖導致的極端天氣和自然災害頻發,依賴于糖類生物質資源的生產方式正面臨著供應安全風險。人工高效、精準制糖,有望幫助減少來自農業生產的不確定性風險,更充分地滿足人類對糖的需求。
楊建剛說,通過這套研究方法獲得的糖,不僅能夠作為原料應用于食品、醫藥等領域,有效緩解因人口增長而帶來的糖需求壓力,而且還在生物醫藥、工業等多個領域展現出廣泛的實用價值。該成果為在工業條件下直接制糖開辟了新路徑,降低了對土地和水的依賴。將二氧化碳轉化為淀粉、糖等人類生產生活必需品,還會減少二氧化碳排放,助力“雙碳”目標早日實現。
業內專家還指出,在農業生產中,氮肥使用量大幅增加帶來的土壤板結和酸化等問題,可以通過合成生物學“微生物固氮”技術得以有效解決。在環境治理上,可以通過“定制”微生物去除難降解的有機污染物,也可開發人工合成的微生物傳感器幫助人類監測環境,以及設計構建能夠識別和富集土壤或水中的鎘、汞、砷等污染物的微生物,以大幅提升污染治理效能。
“合成生物是驅動生物科技發展的顛覆性技術,是實現綠色制造、“雙碳”目標的底層支撐。未來,生活中80%的物質都可以通過細胞工廠生產,覆蓋衣食住行醫用的各個領域。”華熙生物科技股份有限公司董事長趙燕如此說。
產業化賦能美好生活
不久前,江南大學未來食品科學中心合成生物創新團隊宣布,他們已經實現了透明質酸的人工合成,并且這一過程的成本已大幅降低。“透明質酸最早是從牛的眼睛里發現并提取出來的,價格非常昂貴,每公斤要幾萬元。現在我們團隊利用合成生物學技術,借助微生物發酵生產普通分子量的透明質酸,把成本降到每公斤幾百元,實現了透明質酸大產量推廣應用。”創新團隊成員康振說。
該團隊通過技術攻關,可以利用細胞工廠生產“萬物”,從而大幅降低原材料成本,使得如今很多化妝品原料的獲取不再依賴于傳統的動植物提取方式。
“合成生物學的技術突破熠熠生輝,將為未來創新與應用領域帶來前所未有的廣闊前景和無限可能。我們將扎根合成生物和生物制造領域,服務地方經濟發展,推動相關產業鏈升級和轉型,為發展新質生產力盡一份力量。”創新團隊負責人汪超說。
可以樂觀地預測,隨著越來越多突破性合成生物技術成果在實驗室里誕生,并加速產業化,將更方便地為人類的美好生活賦能。
特別是,基于國內龐大的市場和完備的供應鏈,以及多年在一些領域的深耕發酵,中國的合成生物學研究目前已經處在全球有利位置。而著眼未來,趙燕認為,合成生物要更注重加強產學研合作,確保科學家專注于從0到1的原創性科學研究。同時,企業積極參與其中,充分發揮“產”的作用,推動合成生物科研成果的產業轉化和市場轉化。
中國工程院院士、江南大學教授陳堅提出,應搭建配備先進儀器設備和高水平人才的高能級平臺,推動原始創新并產出高質量成果。為此,擁有完善的生產、營銷體系的頭部企業,攜手在技術產品開發上具備優勢的初創公司,兩者充分發揮各自優勢,將能更快速推進生物科技產業繁榮發展。
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