發酵罐裡“釀”出青蒿素 這種技術幫人類實現“造物自由”

2019年11月20日09:11  來源:科技日報
 

有了合成生物技術,用100立方米工業發酵罐生產出的青蒿素,與5萬畝農業種植獲得的產量相當。

如果我們食用的糧食、肉類、油脂,不需要土地種植和畜牧養殖,就可以擺脫靠天吃飯和土地資源緊張的命運﹔如果我們使用的汽油、制造各種化工產品的原料,不需要石油、天然氣等碳基能源,就不會再擔心能源枯竭和環境污染的問題﹔如果很多珍稀的藥物成分,不需要再從植物和動物中提取,就不會擔心物種滅絕和過多殺戮……這些看似天方夜譚的事情,正隨著合成生物學技術的迅猛發展被逐步實現,未來我們所需的各種產品可能像釀啤酒一樣,在工廠車間就能制造出來。

日前科技部批准建設國家合成生物技術創新中心,這將為提升我國合成生物領域企業和產業創新能力提供有力支撐。

創建有特定功能的“人工生物”

合成生物學作為新興前沿交叉學科之一,早在2004年就被美國《麻省理工·技術評論》選為改變世界的未來十大技術之一。中國科學院天津工業生物技術研究所副所長王欽宏介紹說,合成生物學就是採用工程化設計理念,對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成,創建出能完成特定功能或被賦予非自然功能的“人工生物”。它是繼DNA雙螺旋結構發現和基因組測序之后的“第三次生物科學革命”,促進了人類對生命密碼從“讀”到“寫”的質變,使人類克服自然進化的局限,讓設計自然為人類服務成為可能。

“合成生物學是在分子水平上對生命系統的重新設計和改造。”王欽宏解釋說,這個過程很像IT技術,如果讓計算機實現某種功能,需要很多元器件集成起來。基因就相當於具有各種功能的元器件,我們把所需要合成的目標物質的各種基因以工程化的方式設計集成,然后裝入底盤細胞(目前便於遺傳操控的釀酒酵母和大腸杆菌是常用的底盤細胞),被重新設計的細胞就是合成生物。以生物合成番茄紅素為例,我們可以先從番茄中提取番茄紅素合成所需要的所有基因,然后把這些基因重新設計組合,再裝入“底盤細胞”——大腸杆菌或釀酒酵母中獲得合成生物,再以葡萄糖作為原料,通過類似釀造啤酒一樣的過程,生產出的番茄紅素,與從番茄中提取的番茄紅素完全一樣。

這個看似簡單的過程,涉及到生物學與化學、工程學、計算、生物信息學等多學科的交叉融合,此外還涉及基因組測序、基因化學合成、基因編輯、生物計算與建模、蛋白質結構解析、理性設計與定向進化、合成途徑構建與調控等一系列核心技術。

“從2010年首個細胞生命被成功合成,到2019年實現功能性定制細胞器的合成,合成生物學不斷取得重大科學突破。”王欽宏介紹說,目前合成生物技術主要應用於信號傳導、能量轉化、物質合成和分子識別等領域。信號傳導可應用於癌症、糖尿病的智能診療,靈敏檢測出體內的疾病﹔能量轉化可用於人工光合作用,通過重新設計植物中光合作用系統,提高光合作用中植物對能量的吸收轉化,使作物生長周期縮短,增加產量﹔物質合成是通過構建合成細胞工廠,實現化工、材料、能源的綠色制造﹔分子識別主要應用於環境檢測,通過增強分子信號識別能力,提高檢測的靈敏度。

顛覆傳統產業模式

“傳統的化學合成,主要以石油、天然氣等碳基能源作為原料,在生產過程中,可能會產生大量二氧化碳和有毒有害物質。而採用合成生物技術,隻需要酵母、細菌等做‘底盤’,用來自玉米澱粉的葡萄糖等做原料,就可以合成我們所需的各種物質。”王欽宏進一步介紹,此外還可以使用秸稈等植物纖維作為原料,甚至目前正在研究跳過植物光合作用合成物質的步驟,直接使用二氧化碳作為原料,完成各種生物合成。

“因此,合成生物技術的應用,顛覆了工業、農業、食品、醫藥等領域傳統產業模式,為社會經濟問題提供解決方案,創造價值鏈高端的新經濟增長點。”王欽宏說,“目前合成生物技術正快速向實用化、產業化方向發展。”

在農產品方面,使用微生物細胞作為細胞工廠,我國已實現人參皂苷、番茄紅素、燈盞花素、天麻素等眾多天然產物的人工合成,形成了新的制造模式,減少了對土地的依賴和污染。以天麻素為例,其生物合成成本是植物提取的1/200、化學合成的1/2—1/3,生產效率大幅提升,質量可完全替代化學合成。王欽宏介紹說:“還有像紅景天裡面的主要成分紅景天苷,這種成分隻有在生長於海拔4000米以上的紅景天中才能提取到。而通過生物合成的方式,在工廠裡就可以生產了。”

在石油化工產品方面,我國目前創建了丁二酸、丙氨酸、蘋果酸等一批化學品合成的生物制造路線,顛覆了對石油、天然氣等傳統資源的依賴與高污染的傳統化工過程。“以丙氨酸為例,我國在國際上率先建成萬噸級L-丙氨酸生物合成路線,相比化工合成路線,生產成本降低50%,廢水排放和能耗分別降低90%、40%。”王欽宏介紹說。

在化學原料藥方面,實現了羥脯氨酸、肌醇、左旋多巴、維生素B12等產品的綠色新工藝。以肌醇為例,合成生物工藝較傳統工藝高磷廢水的排放減少90%以上,成本降低50%以上。

在傳統產業改造方面,應用生物紡織、生物造紙、生物脫膠等綠色生物工藝,實現了二氧化碳減排,減少污水排放,促進傳統產業走出資源環境制約。

發展迅猛但亟須突破瓶頸

雖然目前國際合成生物學研究飛速發展,合成生物學的底層技術、生物體系構建、實用性技術已經發生了革命性變化,但是合成生物技術要想實現產業化,降低成本、提高與傳統生產模式的競爭力非常重要。“比如美國合成生物學家設計構建了能夠生產抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細胞,其技術能力可實現100立方米工業發酵罐的生產量與5萬畝農業種植獲得的產量相當,使抗瘧疾藥物成本下降90%,堪稱合成生物技術的重大應用典范。”王欽宏說。

“我國在合成生物領域起步略晚,但是進展很快,目前我國合成生物學研究,無論是在基礎科研論文發表量,還是技術專利申請量方面,均已在國際上處於第二位。”王欽宏介紹說,前不久在天津召開了兩個合成生物學領域的盛會——“2019代謝工程國際會議”和“第十屆中國工業生物技術發展高峰論壇暨第四屆生物工業投資大會”。在會上,代謝工程學科創始人之一的延斯·尼爾森表示,中國正在全球代謝工程領域發揮越來越重要的作用。與此同時,還發布了《中國工業生物技術白皮書2019》,全面總結了中國工業生物技術近年來在基礎研究、應用研究、技術轉化與產業發展等方面取得的進展和成就。

“但與美國相比,我國在基礎理論、核心體系、產業技術等方面尚存在不小的差距。”王欽宏坦言,這主要表現在原創標志性工作較少,還沒有出現類似於“人造生命”、青蒿素合成式的重大突破﹔合成生物設計創制的技術方法體系不完善,元件標准化、通用性方面有差距,導致核心技術和關鍵設備對國外依存度高﹔從基礎研究到應用技術創新方面,需要更好地銜接,需要從需求出發凝練核心科學問題,推進合成生物學技術顛覆式創新與工程化應用,支撐生物產業發展。

目前,我國在自主細胞工廠創制的機制與分子基礎方面,在DNA合成、生物元件標准化、基因編輯系統、合成生物理性設計等底層核心技術構建方面,在高通量、自動化的系統技術平台建設方面還存在不足,亟須突破技術瓶頸,佔領國際競爭制高點。 (陳 曦)

(責編:趙春曉、呂騫)

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