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发酵罐里“酿”出青蒿素这种技术帮人类实现“造物自由”

衢州日报1127日讯:发酵罐里“酿”出青蒿素这种技术帮人类实现“造物自由”。如果粮食、肉类、油脂,不需要土地种植和畜牧养殖,就可以摆脱靠天吃饭和土地资源紧张的命运;如果汽油、制造各种化工产品的原料,不需要石油、天然气等碳基能源,就不会再担心能源枯竭和环境污染的问题……这些看似天方夜谭的事情,正随着合成生物学技术的迅猛发展被逐步实现,未来我们所需的各种产品可能像酿啤酒一样,在工厂车间就能制造出来。日前,科技部批准建设国家合成生物技术创新中心,这将为提升我国合成生物领域企业和产业创新能力提供有力支撑。创建有特定功能的“人工生物”中国科学院天津工业生物技术研究所副所长王钦宏介绍,合成生物学就是采用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,创建出能完成特定功能或被赋予非自然功能的“人工生物”。“合成生物学是在分子水平上对生命系统的重新设计和改造。”王钦宏解释说,这个过程很像IT技术,计算机要实现某种功能,需要很多元器件集成起来。基因就相当于具有各种功能的元器件,我们把所需要合成的目标物质的各种基因以工程化的方式设计集成,然后装入底盘细胞(目前便于遗传操控的酿酒酵母和大肠杆菌是常用的底盘细胞),被重新设计的细胞就是合成生物。以生物合成番茄红素为例,我们可以先从番茄中提取番茄红素合成所需要的所有基因,然后把这些基因重新设计组合,再装入“底盘细胞”——大肠杆菌或酿酒酵母中获得合成生物,再以葡萄糖作为原料,通过类似酿造啤酒一样的过程,生产出的番茄红素,与从番茄中提取的番茄红素完全一样。这个看似简单的过程,涉及生物学与化学、工程学、计算、生物信息学等多学科的交叉融合,此外还涉及基因组测序、基因化学合成、基因编辑、生物计算与建模、蛋白质结构解析、理性设计与定向进化、合成途径构建与调控等一系列核心技术。王钦宏介绍,目前合成生物技术主要应用于信号传导、能量转化、物质合成和分子识别等领域。信号传导可应用于癌症、糖尿病的智能诊疗,灵敏检测出体内的疾病;能量转化可用于人工光合作用,通过重新设计植物中光合作用系统,提高光合作用中植物对能量的吸收转化,使作物生长周期缩短,增加产量;物质合成是通过构建合成细胞工厂,实现化工、材料、能源的绿色制造;分子识别主要应用于环境检测,通过增强分子信号识别能力,提高检测的灵敏度。颠覆传统产业模式“传统的化学合成,主要以石油、天然气等碳基能源作为原料,生产过程中,可能会产生大量二氧化碳和有毒有害物质。而采用合成生物技术,只需要酵母、细菌等做‘底盘’,用来自玉米淀粉的葡萄糖等做原料,就可以合成我们所需的各种物质。”王钦宏进一步介绍,此外还可以使用秸秆等植物纤维作为原料,甚至目前正在研究跳过植物光合作用合成物质的步骤,直接使用二氧化碳作为原料,完成各种生物合成。“合成生物技术的应用颠覆了工业、农业、食品、医药等领域传统产业模式,为社会经济问题提供解决方案,创造价值链高端的新经济增长点。”王钦宏说,“目前合成生物技术正快速向实用化、产业化方向发展。”在农产品方面,使用微生物细胞作为细胞工厂,我国已实现人参皂苷、番茄红素、灯盏花素、天麻素等众多天然产物的人工合成,形成了新的制造模式,减少了对土地的依赖和污染。在石油化工产品方面,我国目前创建了丁二酸、丙氨酸、苹果酸等一批化学品合成的生物制造路线,颠覆了对石油、天然气等传统资源的依赖与高污染的传统化工过程。在化学原料药方面,实现了羟脯氨酸、肌醇、左旋多巴、维生素B12等产品的绿色新工艺。以肌醇为例,合成生物工艺较传统工艺高磷废水的排放减少90%以上,成本降低50%以上。在传统产业改造方面,应用生物纺织、生物造纸、生物脱胶等绿色生物工艺,实现了二氧化碳减排,减少污水排放,促进传统产业走出资源环境制约。发展迅猛但亟须突破瓶颈虽然目前国际合成生物学研究飞速发展,合成生物学的底层技术、生物体系构建、实用性技术已经发生了革命性变化,但是合成生物技术要想实现产业化,降低成本、提高与传统生产模式的竞争力非常重要。“比如美国合成生物学家设计构建了能够生产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞,其技术能力可实现100立方米工业发酵罐的生产量与5万亩农业种植获得的产量相当,使抗疟疾药物成本下降90%,堪称合成生物技术的重大应用典范。”王钦宏说。“与美国相比,我国在基础理论、核心体系、产业技术等方面尚存在不小的差距。”王钦宏坦言,这主要表现在原创标志性工作较少,还没有出现类似于“人造生命”、青蒿素合成式的重大突破;合成生物设计创制的技术方法体系不完善,元件标准化、通用性方面有差距,导致核心技术和关键设备对国外依存度高;从基础研究到应用技术创新方面,需要更好地衔接,需要从需求出发凝练核心科学问题,推进合成生物学技术颠覆式创新与工程化应用,支撑生物产业发展。

(http://qzrb.qz828.com/qzwb/html/2019-11/27/content_2408951.htm)

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