光玥生物倪俊:如何做第三代合成生物技术 |连线创始人
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2024-03-10 21:53 星期日
财联社记者 徐红
①2024年政府工作报告提出“积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎”,“生物制造”首次被写入政府工作报告;
②目前在全球范围内,第一代合成生物技术仍是主流,但积极布局二代、三代技术的企业也在慢慢增多。

《科创板日报》3月10日讯(记者 徐红)作为近年来霸屏投资圈的当红概念,合成生物制造离我们很远,也很近

一方面,从L-丙氨酸、1,3-丙二醇等生物基化工品,到人造肉、医美用玻尿酸、护肤品原料角鲨烷......基于生物合成法生产的产品正在越来越频繁地走入我们的日常生活,辐射医疗健康、化工、能源、材料、食品消费、美妆护肤、农业等众多细分领域。

但与此同时,合成生物技术又有着天方夜谭般不真实的一面:“空气不仅可以变面条,还能变油、变葡萄糖”、“一种在市场上颇受欢迎的鱼饲料蛋白,竟然是用钢铁厂炼钢时产生的工业尾气生产出来的”......近年来,类似这样的新闻可谓层出不穷。

生物制造如何能从现实走向超现实?2024年,随着新质生产力成为开年热词,《科创板日报》聚焦合成生物。

▌生物合成新高度:凭空造物

“如果人类某种意义上可以获得近乎无限的能源,是否可以以此凭空制造物品?”在网上曾有人这样问道。

“凭空造物”的想法看似天马行空,但实际上并非遥不可及的一个梦。

近年来,合成生物学最激动人心的一项成果莫过于二氧化碳人工合成淀粉。2021年9月24日,中科院天津工业生物技术研究所宣布,成功在实验室实现二氧化碳到淀粉的人工全合成。这在国际上是首次,相关成果并在线发表于国际学术期刊《科学》。

众所周知,淀粉是粮食最主要的成分,也是人类最主要的食物来源。但农作物的种植通常需要比较长的周期,同时还需要使用大量土地、淡水等资源,以及肥料、农药等农业生产资料。二氧化碳则是大气中的主要温室气体之一,也是存量几近无限的碳资源。

因此,如果能够不依赖作物种植,使用空气中的二氧化碳就能合成淀粉,这对于粮食安全和气候变化都会有着非常巨大的意义。

在合成生物领域,类似这样“凭空造物”的场景其实还有很多,有一些甚至已经走出了实验室。 “凭空造物”,也可以说是第三代合成生物技术希望达到的高度。

所谓第三代合成生物制造技术,就是在风能、光能、水能等可再生能源驱动下,以CO₂、甲烷、CO等一碳化合物做为原料,去实现高附加值产品的生物合成。”上海光玥生物科技有限公司创始人、上海交通大学生命学院/张江高等研究院特别研究员、长聘教轨副教授倪俊告诉《科创板日报》记者,合成生物技术历经三代革新,而三代技术的核心区别就在于炼制原料的不同

其中,第一代技术以葡萄糖及油脂等有机碳源为原料,主要依赖玉米等粮食或甘蔗等经济作物进行生产,因此存在与人争粮的问题。第二代技术的原料发展为非粮食类生物质,包括谷物秸秆、甘蔗渣等。

“目前在全球范围内,第一代合成生物技术仍是主流,但积极布局二代、三代技术的企业也在慢慢增多。”倪俊告诉《科创板日报》记者。

▌吃CO₂的蓝藻细胞工厂

合成生物制造,有别于传统的化学制造,由于其生产过程具有清洁、高效、可再生等特点,被认为具有引领“第四次工业革命”的潜力,因此成为世界各国竞争的热点。据麦肯锡McKinsey统计,生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品,并在继续拓展边界。

在我国,生物制造同样被列为重点发展的战略性新兴产业,是提升新质生产力的重要手段之一。

2024年政府工作报告提出“积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎”,这是“生物制造”首次被写入政府工作报告。自2018年以来亦有相关支持政策密集出台,广东、湖北、山西、江苏、北京、上海、天津、深圳、杭州等多个省、市纷纷发布了合成生物产业发展规划。

乘着政策东风,这个产业开始迎来越来越多的参与者。毗邻上海交通大学,坐落于淡水河畔科技园一隅,上海光玥生物科技有限公司(下称“光玥生物”)正是其中的一家初创企业,也是国内为数不多的正在开发第三代合成生物技术的企业。

传统的细胞工厂主要是改造大肠杆菌、酵母菌等,而光玥生物转而开发了基于光合微生物发展起来的光合细胞工厂(如蓝藻细胞工厂),光合细胞工厂不再使用葡萄糖作为底物,而是直接利用太阳能驱动CO₂来合成产物,这就是光玥生物的“光驱动合成生物技术”。

这样的光合细胞工厂非常适合用来合成植物天然产物。以往,人们需要植物天然化合物时,通常是经植物提取。但大多植物体内化合物的含量较低、难以大量获得,并且在提取过程中还会面临植物体内化合物结构相似、难以分离等其他困难。

但现在,“只要对蓝藻进行改造,引入不同植物的代谢途径,就相当于把蓝藻变成了‘人参’、‘葡萄’等植物,蓝藻也因此有了合成人参皂苷、白藜芦醇等天然产物的能力。”倪俊向记者介绍道。

“将排放出的二氧化碳进行回收利用,这才是合成生物学的发展方向和使命所在。”倪俊认为,而使用“蓝藻工厂”后,每生产一吨白藜芦醇,不仅可以相应缩短生产周期240倍,节约土地72750亩,还能吸收二氧化碳超过两千吨,实现了真正的绿色合成。

▌生万物:不止是天然产物

虽然这样的光合细胞工厂经改造后,就能“一键生成”想要的目标产物,但实际总会比理论更加复杂。“就好比将水流引入河道,它并不会按照你设想的那样只流向主干道,除了干流外,还会有很多的支流。”

“细胞工厂的生产同样是如此,虽然路可以走通,但能不能达到你想要的产量,让你用比较低的成本去完成生产,这些问题可能需要我们花更多的时间去解决。通过不断地调整,把蓝藻的合成效率提到更高。”倪俊告诉记者,因为如果产量不够,意味着产品不具备足够的经济性,也就无法商业化落地。

目前,光玥生物主要聚焦于苯丙烷类天然产物的生产,这类植物天然产物是最主要的抗氧化、抗衰、抑菌和美白成分,涵盖千余种消费品原料。

倪俊称,对比传统的细胞工厂,用光合细胞工厂去生产天然产物会有很多优势,比如在大肠杆菌或酵母菌中很难表达植物来源的酶,但用光合自养微生物就可以。事实上,现在通过光合细胞工厂获得的天然产物,有很多在产量上已经可以超过大肠酵母等工业微生物。

不过,光合细胞工厂也有力所不及的地方,比如现在还没有拥有很好的工业化生产大宗化学品的能力。而通过传统的生物合成法,包括长链二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、L-丙氨酸等在内的很多大宗化学品都已经成功实现产业化。大宗化学品通常有着更为广阔的应用市场。

就此,倪俊指出,光合细胞工厂并非不能生产大宗化学品,只是在现阶段,其产量及生产成本仍然够不上量产的门槛。 他表示,“利用光驱动合成生物平台合成高附加值的天然产物,一般在10g/L以内就可以量产,但合成大宗化学品,例如乳酸,基本上要做到几倍以上的量才有应用的意义”。

但随着底层技术的不断优化,特别是随着细胞工厂快速将二氧化碳转化为产品的能力的提高,倪俊认为,这些都将不在话下。

“包括还要提高二氧化碳的固定效率,以及能量(光能)的利用效率,这是光驱动合成生物技术需要解决的最底层的两个问题。只有底层垒得足够高,后续才有进一步往前推的可能。”倪俊说,光玥生物虽然在这上面做了很多工作,但依然还有不少可以提高的空间。

比如说,光玥生物改造出了可以生产蔗糖和甘油的蓝藻,经过几年时间的努力,目前这两种物质的产量也都已经从不到1g/L提高到了10g/L以上。“如果能达到接近百克的水平,也就是在现在的基础上再提高大概两三倍,那么差不多就具备了足够的经济性。”倪俊告诉《科创板日报》记者。

这也是继开发以二氧化碳为原料的“负碳细胞工厂”之后,倪俊的另一个梦想,那就是用更低的成本去生产甘油等通用型碳源——目前在生物合成中需求量最大的基础原料,助力合成生物产业未来更好的发展。

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