利用合成生物技術，100立方米工業發酵罐生產的青蒿素相當於5萬畝農業種植獲得的產量。
如果我們吃的糧、肉、油不需要土地種植和畜牧業，就可以擺脫靠天吃飯的命運和土地資源的短缺；如果我們不再需要石油、天然氣等碳基能源來使用汽油和制造各種化工產品的原料，我們就不再擔心能源枯竭和環境汙染；如果很多稀有的藥物成分不再從動植物中提取，我們就不會擔心物種滅絕、過度捕殺等看似不可能的事情。隨著合成生物技術的飛速發展，未來我們需要的各種產品都可能像釀造啤酒壹樣在工廠車間裏制造出來。
近日，科技部批準建設國家合成生物技術創新中心，將為提升我國合成生物學領域企業和產業的創新能力提供有力支撐。
創造具有特定功能的“人造生物”
合成生物學作為新興的前沿交叉學科之壹，2004年被《麻省理工科技評論》評選為未來改變世界的十大技術之壹。中國科學院天津工業生物技術研究所副所長王說，合成生物學就是采用工程設計理念，設計、改造甚至重組有目標的生物，從而創造出能完成特定功能或被賦予非自然功能的“人造生物”。它是繼DNA雙螺旋結構和基因組測序發現之後的“第三次生物學革命”，推動了人類生命密碼從“讀”到“寫”的質變，使人類能夠克服自然進化的局限性，使設計為人類自然服務成為可能。
"合成生物學是在分子水平上重新設計和改造生命系統."王解釋說，這個過程與IT技術非常相似。如果壹臺計算機能實現某種功能，需要集成很多組件。基因相當於具有各種功能的組件。我們用工程化的方式設計整合待合成的目標物質的基因，然後放入底盤細胞。重新設計的細胞是合成生物。以番茄紅素的生物合成為例，我們可以先從番茄中提取番茄紅素合成所需的所有基因，然後將這些基因重新設計組合，再放入“底盤細胞”——大腸桿菌或釀酒酵母中，獲得合成生物，然後以葡萄糖為原料，通過類似釀造啤酒的過程生產番茄紅素，這與從番茄中提取的完全相同。
這個看似簡單的過程，涉及生物與化學、工程、計算、生物信息學等學科的交叉融合，以及基因組測序、基因化學合成、基因編輯、生物計算與建模、蛋白質結構分析、理性設計與定向進化、合成途徑的構建與調控等壹系列核心技術。
“從2010成功合成第壹個細胞生命，到2019合成功能性定制細胞器，合成生物學不斷取得重大科學突破。”王說，目前，合成生物技術主要應用於信號轉導、能量轉換、物質合成和分子識別。信號轉導可以應用於癌癥和糖尿病的智能診斷和治療，可以靈敏地檢測體內的疾病；能量轉換可用於人工光合作用。通過重新設計植物體內的光合作用系統，可以提高植物在光合作用中對能量的吸收和轉化，從而縮短作物的生長周期，提高產量。材料合成是通過建設合成細胞工廠，實現化學品、材料、能源的綠色制造；分子識別主要用於環境檢測，通過增強分子信號的識別能力來提高檢測的靈敏度。
顛覆傳統產業模式
“傳統的化學合成主要以石油、天然氣等碳基能源為原料。在生產過程中，可能會產生大量的二氧化碳和有毒有害物質。利用合成生物技術，我們只需要酵母、細菌等。作為‘底盤’和來自玉米澱粉的葡萄糖為原料，所以我們可以合成我們需要的各種物質，”王進壹步介紹，此外，還可以利用稭稈等植物纖維為原料，甚至正在研究利用植物光合作用合成物質的步驟，直接利用二氧化碳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、食品和醫藥領域的傳統產業模式，為社會和經濟問題提供了解決方案，並在價值鏈的高端創造了新的經濟增長點。”王說，“目前，合成生物技術正迅速向實用化和產業化發展。”
在農產品方面，利用微生物細胞作為細胞工廠，我國實現了人參皂苷、番茄紅素、燈盞花素、天麻素等多種天然產物的人工合成，形成了新的制造模式，減少了對土地和汙染的依賴。以天麻素為例，其生物合成成本為植物提取的1/200，化學合成的1/2-1/3，大大提高了生產效率，完全可以替代化學合成。王說:“還有紅景天中的主要成分紅景天苷，只有生長在海拔4000多米的紅景天中才能提取出來。通過生物合成，可以在工廠生產。”
在石化產品方面，中國創造了壹批丁二酸、丙氨酸、蘋果酸等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和高汙染的傳統化工工藝。“以丙氨酸為例，我國在世界上率先建成了萬噸級L-丙氨酸生物合成路線。與化學合成路線相比，生產成本降低50%，廢水排放量和能耗分別降低90%和40%。”王對說道。
在化工原料方面，實現了羥脯氨酸、肌醇、左旋多巴、維生素B12的綠色新工藝。以肌醇為例，合成生物法與傳統工藝相比，高磷廢水排放量減少90%以上，成本降低50%以上。
在傳統產業改造中，生物紡織、生物造紙、生物脫膠等綠色生物工藝的應用，實現了二氧化碳減排，減少了汙水排放，促進了傳統產業走出資源和環境的約束。
快速發展，但亟待突破瓶頸
盡管國際上合成生物學研究發展迅速，合成生物學的底層技術、生物體系構建和實用技術都發生了革命性的變化，但合成生物技術實現產業化、降低成本、提高與傳統生產模式的競爭力非常重要。“例如，美國合成生物學家設計並構建了能夠生產抗瘧藥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，相當於5萬畝農業種植的生產，使抗瘧藥成本降低90%，是合成生物技術的壹大應用模式。”王對說道。
“中國在合成生物學領域起步稍晚，但進步很快。目前，我國合成生物學研究在基礎科研論文發表數量和技術專利申請數量方面已經位居世界第二。”王說，不久前，合成生物學領域的兩大盛會——“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產業投資大會”在天津召開。會上，代謝工程創始人之壹延斯·納爾遜(Jens Nelson)表示，中國在全球代謝工程領域正發揮著越來越重要的作用。同時發布了《中國工業生物技術2019》白皮書，全面總結了近年來我國工業生物技術在基礎研究、應用研究、技術轉化、產業發展等方面的進展和成就。
“但與美國相比，我國在基礎理論、核心體系、產業技術等方面還有很大差距。”王坦言，這主要表現在原創性的標誌性著作很少，沒有出現類似“人工生命”和青蒿素合成的重大突破；合成生物設計創造的技術方法體系不完善，組件標準化和通用性存在差距，導致核心技術和關鍵設備對外依存度較高；從基礎研究到應用技術創新，要更好地銜接，從需求上調和核心科學問題，推動合成生物技術的顛覆性創新和工程化應用，支撐生物產業發展。
目前，在自主細胞工廠創建的機制和分子基礎方面，在DNA合成、生物成分標準化、基因編輯系統、合成生物理性設計等底層核心技術建設方面，高通的定量化、自動化系統技術平臺建設還存在不足，急需突破技術瓶頸，占領國際競爭制高點。
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