《科創(chuàng)板日報》3月10日訊（記者 徐紅）作為近年來霸屏投資圈的當紅概念，合成生物制造離我們很遠，也很近。

一方面，從L-丙氨酸、1,3-丙二醇等生物基化工品，到人造肉、醫(yī)美用玻尿酸、護膚品原料角鯊烷......基于生物合成法生產的產品正在越來越頻繁地走入我們的日常生活，輻射醫(yī)療健康、化工、能源、材料、食品消費、美妝護膚、農業(yè)等眾多細分領域。

但與此同時，合成生物技術又有著天方夜譚般不真實的一面：“空氣不僅可以變面條，還能變油、變葡萄糖”、“一種在市場上頗受歡迎的魚飼料蛋白，竟然是用鋼鐵廠煉鋼時產生的工業(yè)尾氣生產出來的”......近年來，類似這樣的新聞可謂層出不窮。

生物制造如何能從現(xiàn)實走向超現(xiàn)實？2024年，隨著新質生產力成為開年熱詞，《科創(chuàng)板日報》聚焦合成生物。

▌生物合成新高度：憑空造物

“如果人類某種意義上可以獲得近乎無限的能源，是否可以以此憑空制造物品？”在網上曾有人這樣問道。

“憑空造物”的想法看似天馬行空，但實際上并非遙不可及的一個夢。

近年來，合成生物學最激動人心的一項成果莫過于二氧化碳人工合成淀粉。2021年9月24日，中科院天津工業(yè)生物技術研究所宣布，成功在實驗室實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的人工全合成。這在國際上是首次，相關成果并在線發(fā)表于國際學術期刊《科學》。

眾所周知，淀粉是糧食最主要的成分，也是人類最主要的食物來源。但農作物的種植通常需要比較長的周期，同時還需要使用大量土地、淡水等資源，以及肥料、農藥等農業(yè)生產資料。二氧化碳則是大氣中的主要溫室氣體之一，也是存量幾近無限的碳資源。

因此，如果能夠不依賴作物種植，使用空氣中的二氧化碳就能合成淀粉，這對于糧食安全和氣候變化都會有著非常巨大的意義。

在合成生物領域，類似這樣“憑空造物”的場景其實還有很多，有一些甚至已經走出了實驗室。 “憑空造物”，也可以說是第三代合成生物技術希望達到的高度。

“所謂第三代合成生物制造技術，就是在風能、光能、水能等可再生能源驅動下，以CO?、甲烷、CO等一碳化合物做為原料，去實現(xiàn)高附加值產品的生物合成?！鄙虾９猥h生物科技有限公司創(chuàng)始人、上海交通大學生命學院/張江高等研究院特別研究員、長聘教軌副教授倪俊告訴《科創(chuàng)板日報》記者，合成生物技術歷經三代革新，而三代技術的核心區(qū)別就在于煉制原料的不同。

其中，第一代技術以葡萄糖及油脂等有機碳源為原料，主要依賴玉米等糧食或甘蔗等經濟作物進行生產，因此存在與人爭糧的問題。第二代技術的原料發(fā)展為非糧食類生物質，包括谷物秸稈、甘蔗渣等。

“目前在全球范圍內，第一代合成生物技術仍是主流，但積極布局二代、三代技術的企業(yè)也在慢慢增多?！蹦呖「嬖V《科創(chuàng)板日報》記者。

▌吃CO?的藍藻細胞工廠

合成生物制造，有別于傳統(tǒng)的化學制造，由于其生產過程具有清潔、高效、可再生等特點，被認為具有引領“第四次工業(yè)革命”的潛力，因此成為世界各國競爭的熱點。據麥肯錫McKinsey統(tǒng)計，生物制造的產品可以覆蓋70%化學制造的產品，并在繼續(xù)拓展邊界。

在我國，生物制造同樣被列為重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，是提升新質生產力的重要手段之一。

2024年政府工作報告提出“積極打造生物制造、商業(yè)航天、低空經濟等新增長引擎”，這是“生物制造”首次被寫入政府工作報告。自2018年以來亦有相關支持政策密集出臺，廣東、湖北、山西、江蘇、北京、上海、天津、深圳、杭州等多個省、市紛紛發(fā)布了合成生物產業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

乘著政策東風，這個產業(yè)開始迎來越來越多的參與者。毗鄰上海交通大學，坐落于淡水河畔科技園一隅，上海光玥生物科技有限公司（下稱“光玥生物”）正是其中的一家初創(chuàng)企業(yè)，也是國內為數(shù)不多的正在開發(fā)第三代合成生物技術的企業(yè)。

傳統(tǒng)的細胞工廠主要是改造大腸桿菌、酵母菌等，而光玥生物轉而開發(fā)了基于光合微生物發(fā)展起來的光合細胞工廠（如藍藻細胞工廠），光合細胞工廠不再使用葡萄糖作為底物，而是直接利用太陽能驅動CO?來合成產物，這就是光玥生物的“光驅動合成生物技術”。

這樣的光合細胞工廠非常適合用來合成植物天然產物。以往，人們需要植物天然化合物時，通常是經植物提取。但大多植物體內化合物的含量較低、難以大量獲得，并且在提取過程中還會面臨植物體內化合物結構相似、難以分離等其他困難。

但現(xiàn)在，“只要對藍藻進行改造，引入不同植物的代謝途徑，就相當于把藍藻變成了‘人參’、‘葡萄’等植物，藍藻也因此有了合成人參皂苷、白藜蘆醇等天然產物的能力?！蹦呖∠蛴浾呓榻B道。

“將排放出的二氧化碳進行回收利用，這才是合成生物學的發(fā)展方向和使命所在?！蹦呖≌J為，而使用“藍藻工廠”后，每生產一噸白藜蘆醇，不僅可以相應縮短生產周期240倍，節(jié)約土地72750畝，還能吸收二氧化碳超過兩千噸，實現(xiàn)了真正的綠色合成。

▌生萬物：不止是天然產物

雖然這樣的光合細胞工廠經改造后，就能“一鍵生成”想要的目標產物，但實際總會比理論更加復雜。“就好比將水流引入河道，它并不會按照你設想的那樣只流向主干道，除了干流外，還會有很多的支流?！?/p>

“細胞工廠的生產同樣是如此，雖然路可以走通，但能不能達到你想要的產量，讓你用比較低的成本去完成生產，這些問題可能需要我們花更多的時間去解決。通過不斷地調整，把藍藻的合成效率提到更高。”倪俊告訴記者，因為如果產量不夠，意味著產品不具備足夠的經濟性，也就無法商業(yè)化落地。

目前，光玥生物主要聚焦于苯丙烷類天然產物的生產，這類植物天然產物是最主要的抗氧化、抗衰、抑菌和美白成分，涵蓋千余種消費品原料。

倪俊稱，對比傳統(tǒng)的細胞工廠，用光合細胞工廠去生產天然產物會有很多優(yōu)勢，比如在大腸桿菌或酵母菌中很難表達植物來源的酶，但用光合自養(yǎng)微生物就可以。事實上，現(xiàn)在通過光合細胞工廠獲得的天然產物，有很多在產量上已經可以超過大腸酵母等工業(yè)微生物。

不過，光合細胞工廠也有力所不及的地方，比如現(xiàn)在還沒有擁有很好的工業(yè)化生產大宗化學品的能力。而通過傳統(tǒng)的生物合成法，包括長鏈二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、異丁醇、1,3-丙二醇、異丁烯、L-丙氨酸等在內的很多大宗化學品都已經成功實現(xiàn)產業(yè)化。大宗化學品通常有著更為廣闊的應用市場。

就此，倪俊指出，光合細胞工廠并非不能生產大宗化學品，只是在現(xiàn)階段，其產量及生產成本仍然夠不上量產的門檻。 他表示，“利用光驅動合成生物平臺合成高附加值的天然產物，一般在10g/L以內就可以量產，但合成大宗化學品，例如乳酸，基本上要做到幾倍以上的量才有應用的意義”。

但隨著底層技術的不斷優(yōu)化，特別是隨著細胞工廠快速將二氧化碳轉化為產品的能力的提高，倪俊認為，這些都將不在話下。

“包括還要提高二氧化碳的固定效率，以及能量（光能）的利用效率，這是光驅動合成生物技術需要解決的最底層的兩個問題。只有底層壘得足夠高，后續(xù)才有進一步往前推的可能。”倪俊說，光玥生物雖然在這上面做了很多工作，但依然還有不少可以提高的空間。

比如說，光玥生物改造出了可以生產蔗糖和甘油的藍藻，經過幾年時間的努力，目前這兩種物質的產量也都已經從不到1g/L提高到了10g/L以上。“如果能達到接近百克的水平，也就是在現(xiàn)在的基礎上再提高大概兩三倍，那么差不多就具備了足夠的經濟性。”倪俊告訴《科創(chuàng)板日報》記者。

這也是繼開發(fā)以二氧化碳為原料的“負碳細胞工廠”之后，倪俊的另一個夢想，那就是用更低的成本去生產甘油等通用型碳源——目前在生物合成中需求量最大的基礎原料，助力合成生物產業(yè)未來更好的發(fā)展。