現(xiàn)今日益更新的技術(shù)，正一步一步地將之前只是概念化的想法轉(zhuǎn)變成可以更加方便人們生活的產(chǎn)品。其中合成生物學(xué)作為其中的代表，也讓我們平時(shí)的種植作物、吃的食物、使用的資源和合成的藥物悄然發(fā)生了改變?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)到2030年，我們平時(shí)所有的吃穿住行極有可能就將都來(lái)自于我們自己開發(fā)的生物合成產(chǎn)品。

近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院 Christopher Voigt 教授在 Nature communications 雜志上發(fā)表了題為：Synthetic biology 2020–2030: six commercially-available products that are changing our world 的文章，文章中列舉了六個(gè)在2000-2020年間面世、已經(jīng)面向市場(chǎng)、最典型的也是最能夠代表人工生物合成的全面發(fā)展的產(chǎn)品。

其中，前三個(gè)產(chǎn)品是通過(guò)工程化的細(xì)胞或者酶催生出的物質(zhì)，后三者則是工程化細(xì)胞，它們各自對(duì)應(yīng)的技術(shù)也分別在2018年（定向進(jìn)化技術(shù)）和2020年（基因編輯）獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。作者希望通過(guò)以點(diǎn)蓋面的方法展現(xiàn)現(xiàn)如今科技到底給人們生活帶來(lái)了多么大的變化。

Christopher Voigt 教授

會(huì)流血的漢堡Impossible Foods 公司認(rèn)識(shí)到血——尤其是含鐵的血基質(zhì)，對(duì)于漢堡給人的口感和味覺(jué)體驗(yàn)非常重要。他們發(fā)現(xiàn)，有些植物的根在被劃開時(shí)，有時(shí)也會(huì)發(fā)生“流血”的現(xiàn)象。因此，該公司想到將畢赤酵母進(jìn)行生物改造，產(chǎn)出大豆血紅蛋白，作為人造肉類食品的配料，來(lái)改善肉的口感和香氣。該產(chǎn)物鏈的改進(jìn)需要多種技術(shù)，包含DNA合成、Gibson組裝、基因工程等。相較來(lái)說(shuō)，該公司制作的植物漢堡僅僅需要制作牛肉碎肉餅的4%的土地，也只會(huì)排出其11%的溫室氣體。當(dāng)前在全世界，他們的產(chǎn)品已經(jīng)在超過(guò)3萬(wàn)家的餐廳和1萬(wàn)5千家的超市上架。宏觀方法學(xué)上來(lái)講，代謝工程的進(jìn)步可以將天然的代謝途徑多樣化地轉(zhuǎn)移至生產(chǎn)宿主中。而通過(guò)改造酵母使其與生產(chǎn)宿主兼容，或使其成為新宿主來(lái)幫助生產(chǎn)，也正在催生出更多的新一代的產(chǎn)品，例如：維他命E、甜菊糖 （替代傳統(tǒng)糖類） 、乳清 （Milk whey，對(duì)乳糖敏感的人也可以食用） 。捷諾維--血糖抑制劑捷諾維是一款適用于2型糖尿病患者的血糖控制劑。它主要通過(guò)抑制DPP-4酶來(lái)提升胰島素的分泌。它在世界開具處方藥次數(shù)最多的藥物中位列第95位，平均每年大約達(dá)到了1百萬(wàn)的開具次數(shù)和13.5億美元的銷售額。其藥物分子存在立構(gòu)定向的胺基，在制造工藝上需要重金屬和高壓反應(yīng)來(lái)制作。因此單從化學(xué)角度上來(lái)講，它很難進(jìn)行大量生產(chǎn)。然而，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用節(jié)桿菌上的R選擇性轉(zhuǎn)氨酶，用電腦模擬實(shí)現(xiàn)與新物質(zhì)的結(jié)合，來(lái)推動(dòng)定向進(jìn)化，從而可以優(yōu)化酶的活性，將最終的轉(zhuǎn)氨酶實(shí)現(xiàn)27個(gè)氨基酸突變，完美達(dá)到99.95%的產(chǎn)品純度 （旋光異構(gòu)體過(guò)量） 。該類方法如今也被用于生產(chǎn)HIV抗病毒藥物-Islatravir，該藥物目前正在進(jìn)行2期的臨床實(shí)驗(yàn)。Hyaline--新型生物膜Zymergen公司研發(fā)出了一款聚酰亞胺薄膜，這是一種可以應(yīng)用于電子產(chǎn)品的新型生物薄膜。聚酰亞胺，一般因?yàn)槠錈峄瘜W(xué)穩(wěn)定性以及良好的機(jī)械性能等材料特性被人們熟知，然而該材料本身存在由于顏色的缺陷無(wú)法將材料透明化的問(wèn)題，這也成為了制約其在材料領(lǐng)域發(fā)展的主要原因。然而，該公司開發(fā)出了透明化的聚酰亞胺薄膜。該薄膜不僅富有彈性、機(jī)械性能良好，其產(chǎn)品方案還具有非常好的量產(chǎn)性，非常適用于在新一代的電子設(shè)備 （例如：可折疊智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備等） 上推廣。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)在一些柔性電路、顯示觸摸傳感器和印刷電子產(chǎn)品中使用。該類薄膜由生物工程改造后優(yōu)良化的酶株所合成的二胺類單體制成。公司正在構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)化機(jī)器體系，可以同時(shí)生產(chǎn)出數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的酶株。并且通過(guò)人工智能的引導(dǎo)，他們也可以從失敗的產(chǎn)品中學(xué)習(xí)到經(jīng)驗(yàn)，從而進(jìn)一步優(yōu)化下一輪酶株的設(shè)計(jì)。這類前沿科技正在全球各地不斷興起，加快了生物合成項(xiàng)目開發(fā)的步伐。
PROVEN--氮肥料每個(gè)農(nóng)民都明白，農(nóng)作物高產(chǎn)的必要條件，就是在化肥/農(nóng)作物里加氮。傳統(tǒng)的產(chǎn)出氮素的方法，曾經(jīng)占據(jù)了全世界1-2%的能量。盡管有細(xì)菌可以將空氣中的氮?dú)夤潭ㄓ脕?lái)作為生物類氮肥，但是它們卻無(wú)法在谷類農(nóng)作物 （例如：玉米，小麥，大米） 上使用。Pivot Bio公司先是研發(fā)出了第一代作用于玉米的生物類肥料 （基于γ-KV137變形桿菌作用在玉米的根部，來(lái)提供必要的固氮基因） 。但是，當(dāng)農(nóng)作物真正需要氮素時(shí)，該類基因還是無(wú)法提供。因此，該公司通過(guò)生物合成學(xué)，對(duì)γ-KV137變形桿菌進(jìn)行了基因編輯，重塑了其基因組，使其成為了液體肥料的活性成分，最終達(dá)到了固氮的目的。PROVEN的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于減少了對(duì)化學(xué)肥料的需求 （12公斤/英畝） ，同時(shí)還將產(chǎn)量提高至了5.8蒲式耳 （約157.9公斤） 。更亮眼的是，和傳統(tǒng)的化學(xué)肥料不同，雨水的作用并不會(huì)將該肥料的氮素污染到地下水中，它也不會(huì)成為溫室氣體N2O而排放到大氣層中。2020年，PROVEN的使用面積已經(jīng)達(dá)到了25萬(wàn)英畝，并計(jì)劃在2021年擴(kuò)大至數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的英畝田中。kymriah--治療白血病的新療法在醫(yī)學(xué)治療中，工程改造細(xì)胞被認(rèn)為是醫(yī)藥界的”第三大支柱”。Kymriah是首個(gè)獲得FDA批準(zhǔn)使用的此類療法，它也被稱為CAR-T療法。該療法主要通過(guò)提取患者的T細(xì)胞，使用基因工程技術(shù)將T細(xì)胞改造，使得其可以表達(dá)腫瘤嵌合抗原受體 （CAR） ，再重新輸回到病患者體內(nèi)。CAR-T細(xì)胞能夠?qū)ｉT識(shí)別體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞，然后通過(guò)免疫作用釋放大量的多種效應(yīng)因子，來(lái)殺滅腫瘤細(xì)胞。這些被改造的細(xì)胞，通?？梢栽诨颊唧w內(nèi)作用持續(xù)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。Kymriah療法表達(dá)的是融合癌細(xì)胞上CD19抗原，通過(guò)慢病毒載體來(lái)改造病人的T細(xì)胞，對(duì)于復(fù)發(fā)或者是難以治愈的患者的緩解率高達(dá)83%。該類療法和類似的Yescarta （Gilead公司開發(fā)） 療法在2020年將創(chuàng)造約10億美元的銷售額。在2020年的夏季，就已經(jīng)有671中CAR-T療法正處在臨床試驗(yàn)中，其中大部分的療法都針對(duì)血癌，同時(shí)也有越來(lái)越多的療法被用來(lái)治療實(shí)體腫瘤、病毒感染等疾病。Calyno-高油質(zhì)大豆油Calyno油是首個(gè)從使用過(guò)基因編輯技術(shù)的植物中提取出的并且能夠進(jìn)入美國(guó)食品供應(yīng)鏈的植物油產(chǎn)品。大豆油本身占據(jù)了種子油類的90%，但是它的亞油酸含量特別高。亞油酸物質(zhì)本身不穩(wěn)定，并且在油炸溫度下會(huì)被迅速降解。另一方面，盡管它可以被部分氫化處理，但還是會(huì)產(chǎn)生不健康的反式脂肪。Calyxt公司重新對(duì)大豆基因進(jìn)行編輯，使得兩個(gè)脂肪酸基因失去活性，從而減少相應(yīng)的亞油酸的生成?；蚓庉嫼蟮拇蠖巩a(chǎn)出80%含油酸的大豆油，而未經(jīng)過(guò)編輯的大豆則只能產(chǎn)出20%。而且，該公司所運(yùn)用的基因編輯技術(shù)因?yàn)橄鄬?duì)較少的基因缺失和無(wú)DNA重組，極大程度上簡(jiǎn)化了監(jiān)管審核。如今，Calyno基因編輯大豆已經(jīng)種植在了約10萬(wàn)英畝的土地上。暢想未來(lái)或許在未來(lái)的世界中，我們不太可能乘坐著蜜蜂直升飛機(jī)飛行，居住在參天大樹中，亦或是載著烏賊狀的宇宙飛船翱翔于各個(gè)星際之間。作者能夠真切地感受到，極有可能會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)的是：應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的新型昆蟲材料，建筑材料領(lǐng)域的有毒膠水被菌絲體替代，NASA在太空旅行中可以利用合成生物學(xué)在太空中生產(chǎn)食物和藥物。并且，隨著人口的不斷增加，發(fā)酵食品相應(yīng)地也會(huì)隨之不斷增加。在消費(fèi)商品的制造上，糖或許無(wú)法再成為穩(wěn)定的原料。在下一個(gè)十年中，新一代的微生物底盤或?qū)?huì)被擴(kuò)大需求，從而能夠從替代能源 （塑料廢物，空氣中的二氧化碳） 中換取碳原料。淡水或許也將在發(fā)酵領(lǐng)域中變成十分有限的資源，但或許我們也可以通過(guò)發(fā)展生長(zhǎng)在海水中的生物反應(yīng)器的嗜鹽底盤來(lái)進(jìn)行發(fā)酵。當(dāng)然，無(wú)細(xì)胞制造也可以減少水的使用和物理足跡，以及減少細(xì)胞體系的不穩(wěn)定性。從實(shí)際層面來(lái)講，上述所描述的六個(gè)材料已經(jīng)能夠帶來(lái)每年20億美元的銷售額。作者可以預(yù)判到到2030年，撰寫如此類型的評(píng)論可能需要對(duì)成百上千的產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)述。那么在2030年之后呢？作者認(rèn)為，復(fù)雜系統(tǒng)的建立將會(huì)成為一大主流，而并非單個(gè)細(xì)胞或者是單個(gè)體系。無(wú)論是在農(nóng)業(yè)行業(yè)、食品行業(yè)、建筑行業(yè)、人工智能行業(yè)，都需要不同領(lǐng)域的涉入，相互合作，從而解決各個(gè)方面的問(wèn)題。誠(chéng)然，這些假設(shè)都十分美好，但要實(shí)現(xiàn)它們，我們需要更完善的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)工具，結(jié)合模擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境，才能夠真正地化理想為現(xiàn)實(shí)。

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網(wǎng)址: Nature子刊：正在改變世界的六個(gè)生物合成產(chǎn)品 http://m.gysdgmq.cn/newsview439775.html