有了合成生物技術(shù),用100立方米工業(yè)發(fā)酵罐生產(chǎn)出的青蒿素,與5萬畝農(nóng)業(yè)種直瘃得的產(chǎn)量相當(dāng)。 假如我們食用的糧食、肉類、油脂,別需要土地種植和畜牧養(yǎng)殖,就能夠擺脫靠天吃飯和土地資源緊張的命運;假如我們使用的汽油、創(chuàng)造各種化工產(chǎn)品的原料,別需要石油、天然氣等碳基能源,就別大概再擔(dān)心能源枯竭和環(huán)境污染的咨詢題;假如特不多珍稀的藥物成分,別需要再從植物和動物中提取,就別大概擔(dān)心物種滅絕和過多殺戮……這些看似天方夜譚的情況,正隨著合成生物學(xué)技術(shù)的迅猛進展被逐步實現(xiàn),今后我們所需的各種產(chǎn)品大概像釀啤酒一樣,在工廠車間就能創(chuàng)造出來。 日前科技部批準(zhǔn)建設(shè)國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心,這將為提升我國合成生物領(lǐng)域企業(yè)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力提供有力支撐。 創(chuàng)建有特定功能的“人工生物” 合成生物學(xué)作為新興前沿交叉學(xué)科之一,早在2004年就被美國《麻省理工·技術(shù)評論》選為改變世界的今后十大技術(shù)之一。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副所長王欽宏介紹講,合成生物學(xué)算是采納工程化設(shè)計理念,對生物體舉行有目標(biāo)的設(shè)計、改造乃至重新合成,創(chuàng)建出能完成特定功能或被給予非自然功能的“人工生物”。它是繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)覺和基因組測序之后的“第三次生物科學(xué)革命”,促進了人類對生命密碼從“讀”到“寫”的質(zhì)變,使人類克服自然進化的局限,讓設(shè)計自然為人類服務(wù)成為大概。 “合成生物學(xué)是在分子水平上對生命系統(tǒng)的重新設(shè)計和改造?!蓖鯕J宏解釋講,那個過程特不像IT技術(shù),假如讓計算機實現(xiàn)某種功能,需要特不多元器件集成起來?;蚓拖喈?dāng)于具有各種功能的元器件,我們把所需要合成的目標(biāo)物質(zhì)的各種基因以工程化的方式設(shè)計集成,接著裝入底盤細(xì)胞(目前便于遺傳操控的釀酒酵母和大腸桿菌是常用的底盤細(xì)胞),被重新設(shè)計的細(xì)胞算是合成生物。以生物合成番茄紅素為例,我們能夠先從番茄中提取番茄紅素合成所需要的所有基因,接著把這些基因重新設(shè)計組合,再裝入“底盤細(xì)胞”——大腸桿菌或釀酒酵母中獲得合成生物,再以葡萄糖作為原料,經(jīng)過類似釀造啤酒一樣的過程,生產(chǎn)出的番茄紅素,與從番茄中提取的番茄紅素徹底一樣。 那個看似簡單的過程,涉及到生物學(xué)與化學(xué)、工程學(xué)、計算、生物信息學(xué)等多學(xué)科的交叉融合,此外還涉及基因組測序、基因化學(xué)合成、基因編輯、生物計算與建模、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析、理性設(shè)計與定向進化、合成途徑構(gòu)建與調(diào)控等一系列核心技術(shù)。 “從2010年首個細(xì)胞生命被成功合成,到2019年實現(xiàn)功能性定制細(xì)胞器的合成,合成生物學(xué)別斷取得重大科學(xué)突破。”王欽宏介紹講,目前合成生物技術(shù)要緊應(yīng)用于信號傳導(dǎo)、能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)合成和分子識不等領(lǐng)域。信號傳導(dǎo)可應(yīng)用于癌癥、糖尿病的智能診療,靈敏檢測出體內(nèi)的疾??;能量轉(zhuǎn)化可用于人工光合作用,經(jīng)過重新設(shè)計植物中光合作用系統(tǒng),提高光合作用中植物對能量的汲取轉(zhuǎn)化,使作物生長周期縮短,增加產(chǎn)量;物質(zhì)合成是經(jīng)過構(gòu)建合成細(xì)胞工廠,實現(xiàn)化工、材料、能源的綠色創(chuàng)造;分子識不要緊應(yīng)用于環(huán)境檢測,經(jīng)過增強分子信號識不能力,提高檢測的靈敏度。 顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式 “傳統(tǒng)的化學(xué)合成,要緊以石油、天然氣等碳基能源作為原料,在生產(chǎn)過程中,大概會產(chǎn)生大量二氧化碳和有毒有害物質(zhì)。而采納合成生物技術(shù),只需要酵母、細(xì)菌等做‘底盤’,用來自玉米淀粉的葡萄糖等做原料,就能夠合成我們所需的各種物質(zhì)?!蓖鯕J宏進一步介紹,此外還能夠使用秸稈等植物纖維作為原料,甚至目前正在研究躍過植物光合作用合成物質(zhì)的步驟,直截兩脖使用二氧化碳作為原料,完成各種生物合成。 “所以,合成生物技術(shù)的應(yīng)用,顛覆了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式,為社會經(jīng)濟咨詢題提供解決方案,制造價值鏈高督材新經(jīng)濟增長點?!蓖鯕J宏講,“目前合成生物技術(shù)正快速向有用化、產(chǎn)業(yè)化方向進展?!?/p> 在農(nóng)產(chǎn)品方面,使用微生物細(xì)胞作為細(xì)胞工廠,我國已實現(xiàn)人參皂苷、番茄紅素、燈盞花素、天麻素等眾多天然產(chǎn)物的人工合成,形成了新的創(chuàng)造模式,減少了對土地的依靠和污染。以天麻素為例,其生物合成成本是植物提取的1/200、化學(xué)合成的1/2—1/3,生產(chǎn)效率大幅提升,質(zhì)量可徹底替代化學(xué)合成。王欽宏介紹講:“還有像紅景天里面的要緊成分紅景天苷,這種成分惟獨在生長于海拔4000米以上的紅景天中才干提取到。而經(jīng)過生物合成的方式,在工廠里就能夠生產(chǎn)了。” 在石油化工產(chǎn)品方面,我國目前創(chuàng)建了丁二酸、丙氨酸、蘋果酸等一批化學(xué)品合成的生物創(chuàng)造路線,顛覆了對石油、天然氣等傳統(tǒng)資源的依靠與高污染的傳統(tǒng)化工過程?!耙员彼釣槔?,我國在國際上領(lǐng)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(chǎn)成本落低50%,廢水排放和能耗分不落低90%、40%?!蓖鯕J宏介紹講。 在化學(xué)原料藥方面,實現(xiàn)了羥脯氨酸、肌醇、左旋多巴、維生素B12等產(chǎn)品的綠色新工藝。以肌醇為例,合成生物工藝較傳統(tǒng)工藝高磷廢水的排放減少90%以上,成本落低50%以上。 在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造方面,應(yīng)用生物紡織、生物造紙、生物脫膠等綠色生物工藝,實現(xiàn)了二氧化碳減排,減少污水排放,促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走出資源環(huán)境制約。 進展迅猛但亟須突破瓶頸 盡管目前國際合成生物學(xué)研究飛快進展,合成生物學(xué)的底層技術(shù)、生物體系構(gòu)建、有用性技術(shù)基本發(fā)生了革命性變化,然而合成生物技術(shù)要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,落低成本、提高與傳統(tǒng)生產(chǎn)模事淠競爭力很重要。“比如美國合成生物學(xué)家設(shè)計構(gòu)建了可以生產(chǎn)抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細(xì)胞,其技術(shù)能力可實現(xiàn)100立方米工業(yè)發(fā)酵罐的生產(chǎn)量與5萬畝農(nóng)業(yè)種直瘃得的產(chǎn)量相當(dāng),使抗瘧疾藥物成本下落90%,堪稱合成生物技術(shù)的重大應(yīng)用典范?!蓖鯕J宏講。 “我國在合成生物領(lǐng)域起步略晚,然而發(fā)展特不快,目前我國合成生物學(xué)研究,不管是在基礎(chǔ)科研論文發(fā)表量,依舊技術(shù)專利申請量方面,均已在國際上處于第二位。”王欽宏介紹講,前別大會兒在天津召開了兩個合成生物學(xué)領(lǐng)域的盛會——“2019代謝工程國際會議”和“第十屆中國工業(yè)生物技術(shù)進展高峰論壇暨第四屆生物工業(yè)投資大會”。在會上,代謝工程學(xué)科創(chuàng)始人之一的延斯·尼爾森表示,中國正在全球代謝工程領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。與此并且,還公布了《中國工業(yè)生物技術(shù)白皮書2019》,全面總結(jié)了中國工業(yè)生物技術(shù)近年來在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)進展等方面取得的發(fā)展和成就。 “但與美國相比,我國在基礎(chǔ)理論、核心體系、產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面尚存在別小的差距?!蓖鯕J宏坦言,這要緊表如今原創(chuàng)標(biāo)志性工作較少,還沒有浮上類似于“人造生命”、青蒿素合成事淠重大突破;合成生物設(shè)計創(chuàng)制的技術(shù)想法體系別完善,元件標(biāo)準(zhǔn)化、通用性方面有差距,導(dǎo)致核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備對國外依存度高;從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新方面,需要更好地銜接,需要從需求動身凝練核心科學(xué)咨詢題,推進合成生物學(xué)技術(shù)顛覆式創(chuàng)新與工程化應(yīng)用,支撐生物產(chǎn)業(yè)進展。 |
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