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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”

种植技术 时间:2019-11-27 19:03:48 作者:莫敖坤
【http://www.globalcon.cn - 中国农业科技网】

  有了合成生物技术,用100立方米工业发酵罐生产出的青蒿素,与5万亩农业种植获得的产量相当。

  如果我们食用的粮食、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;如果我们使用的汽油、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;如果很多珍稀的药物成分,不需要再从植物和动物中提取,就不会担心物种灭绝和过多杀戮……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”

  合成生物学作为新兴前沿交叉学科之一,早在2004年就被美国《麻省理工·技术评论》选为改变世界的未来十大技术之一。中国科学院天津工业生物技术研究所副所长王钦宏介绍说,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”。它是继DNA双螺旋结构发现和基因组测序之后的“第三次生物科学革命”,促进了人类对生命密码从“读”到“写”的质变,使人类克服自然进化的局限,让设计自然为人类服务成为可能。

  “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,如果让计算机实现某种功能,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,涉及到生物学与化学、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。

  “从2010年首个细胞生命被成功合成,到2019年实现功能性定制细胞器的合成,合成生物学不断取得重大科学突破。”王钦宏介绍说,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,在生产过程中,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。

  “因此,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。以天麻素为例,其生物合成成本是植物提取的1/200、化学合成的1/2—1/3,生产效率大幅提升,质量可完全替代化学合成。王钦宏介绍说:“还有像红景天里面的主要成分红景天苷,这种成分只有在生长于海拔4000米以上的红景天中才能提取到。而通过生物合成的方式,在工厂里就可以生产了。”

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