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自上期撰文《天然產(chǎn)物制造——合成生物已成主流》的內(nèi)容分享后，小編看到了一些讀者的反饋，大多評論都涉及到合成生物制造的概念問題。由于上期內(nèi)容已經(jīng)對天然產(chǎn)物的合成生物制造作了一定的描述，那么本期內(nèi)容小編便從大宗產(chǎn)品、可再生化學(xué)品與聚合材料、精細與醫(yī)藥化學(xué)品、未來農(nóng)產(chǎn)品等其它方面的合成生物制造來對合成生物制造的概念與應(yīng)用進行分享。
合成生物制造是以合成生物為工具進行物質(zhì)加工與合成的生產(chǎn)方式，是對生物體進行有目標的設(shè)計、改造乃至重新合成，甚至創(chuàng)建賦予非自然功能的“人造生命”。將合成生物作為核心工具建立的新一代顛覆性生物技術(shù)，有望為破解人類社會面臨的資源短缺、能源供給、健康安全、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)提供完整全新解決方案。
▲ 合成生物制造示意圖
（圖源：參考資料1）
合成生物制造以合成生物為工具，利用糖、淀粉、纖維素、甚至二氧化碳等可再生碳資源為原料，進行化學(xué)品、藥品、食品、生物能源、生物材料等物質(zhì)加工與合成，具有清潔、高效、可再生等特點，能夠減少工業(yè)經(jīng)濟對生態(tài)環(huán)境的影響，有望徹底變革未來醫(yī)藥、食品、能源、材料、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)模式，重塑碳基物質(zhì)文明發(fā)展模式。世界經(jīng)濟合作組織發(fā)表的報告表明合成生物制造可以降低工業(yè)過程能耗、物耗，減少廢物排放與空氣、水及土壤污染，以及大幅度降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)業(yè)競爭力。
在生物行業(yè)中，大宗產(chǎn)品主要指的是氨基酸、有機酸、維生素、微生物多糖等，被廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
▲ 部分大宗產(chǎn)品——左上為有機酸代表產(chǎn)品檸檬酸，右上為氨基酸代表產(chǎn)品谷氨酸，下為維生素代表產(chǎn)品維生素C及其制片
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
大宗產(chǎn)品的合成生物制造主要通過發(fā)酵的形式進行生產(chǎn)，其工藝的核心在于菌種的性能，高性能菌種可以實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品濃度和生產(chǎn)強度，從而在激烈的產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)主動。合成生物學(xué)的發(fā)展大大提升了菌種設(shè)計改造能力，不僅可以獲得自主知識產(chǎn)權(quán)的新菌種，而且顯著提高原料利用能力和轉(zhuǎn)化效率等技術(shù)指標，為大宗產(chǎn)品的合成生物制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。二、可再生化學(xué)品與聚合材料的合成生物制造利用可再生原料生產(chǎn)可再生化學(xué)品與生物基材料可以解決石化資源短缺等問題，滿足經(jīng)濟社會綠色、可持續(xù)發(fā)展需要。較為常用的可再生化學(xué)品有丁二酸、戊二胺、1,4-丁二醇等，它們都是合成聚合材料單體的原料，如丁二酸可以用來合成丁二酸丁二醇酯（PBS）、尼龍54 等生物基材料；戊二胺在化學(xué)纖維、紡織等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用；1,4-丁二醇是一種極具商業(yè)價值的化學(xué)品，每年用其生產(chǎn)超過250 萬噸的聚合物。
▲ 部分可再生化學(xué)品與聚合材料——左為以丁二酸和1,4-丁二醇為原料生產(chǎn)的丁二酸丁二醇酯聚合材料，右為以戊二胺為原料生產(chǎn)的泰綸
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，人們對細胞代謝和調(diào)控認識的不斷深入，技術(shù)手段不斷進步，通過優(yōu)化改造、甚至從頭設(shè)計合成高效生產(chǎn)菌種，大大提高了可再生化學(xué)品與聚合材料的生產(chǎn)能力與效率。三、精細與醫(yī)藥化學(xué)品的合成生物制造我國是目前全球最大的精細與醫(yī)藥化學(xué)品供應(yīng)國，出口的精細與醫(yī)藥化學(xué)品包括芳香族化合物、抗生素、甾體激素等多種類型，被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)藥等多個行業(yè)。
▲ 部分精細與醫(yī)藥化學(xué)品——左為芳香族代表產(chǎn)品香蘭素，右為抗生素及甾體激素產(chǎn)品
隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，人們通過對細胞內(nèi)代謝途徑的全新設(shè)計，使精細與醫(yī)藥化學(xué)品可以通過微生物細胞以廉價的糖類等為原料來合成，為降低精細與醫(yī)藥化學(xué)品的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)提供可能。四、未來農(nóng)產(chǎn)品的合成生物制造合成生物制造不僅可以生產(chǎn)制造香蘭素、白藜蘆醇、柑橘類等一系列高附加值農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品，還能夠淀粉、油脂、健康糖、牛奶、素食奶酪、各種蛋白（膠原蛋白、蠶絲蛋白、肉類蛋白及卵蛋白等）、肉類等。這些新技術(shù)將顛覆傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品加工生產(chǎn)方式，形成新型的生產(chǎn)模式，促進農(nóng)業(yè)工業(yè)化的發(fā)展。
▲ 未來農(nóng)產(chǎn)品的合成生物制造
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，人們通過發(fā)掘動、植物的營養(yǎng)、功能成分合成的關(guān)鍵遺傳基因元件，對跨種屬的基因進行組合，采用人工元件對合成通路進行改造，優(yōu)化和協(xié)調(diào)合成途徑中各蛋白的表達，創(chuàng)建淀粉、蛋白、油脂以及其他營養(yǎng)功能因子的高效人工生物合成路線，形成嶄新的細胞工廠，顛覆現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與加工方式，擺脫人類所需營養(yǎng)素及天然化合物對資源依賴和環(huán)境破壞為代價的發(fā)展。
合成生物學(xué)至今仍然以自然生物的設(shè)計改造為主開展研究，利用合成生物產(chǎn)物絕大部分為天然化合物，與之矛盾的是絕大多數(shù)化學(xué)品并沒有天然生物合成途徑，這是合成生物學(xué)未來發(fā)展會直面的巨大挑戰(zhàn)，因為目前為止可以實現(xiàn)從頭創(chuàng)建全新非自然合成途徑的報道極少；同時這也展示了合成生物學(xué)巨大的發(fā)展機會，隨著技術(shù)的發(fā)展有望實現(xiàn)顛覆性的革新；新世紀人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為科學(xué)發(fā)展創(chuàng)造出新的可能，同樣合成生物學(xué)也可將其引入自身體系，全面整合生物合成途徑規(guī)?；馕?、元件庫建設(shè)、生物途徑高通量組裝和優(yōu)化、人造系統(tǒng)的調(diào)試等技術(shù)，人工構(gòu)建全新合成途徑，生產(chǎn)新型化合物，服務(wù)人類發(fā)展。以合成生物學(xué)為指導(dǎo)，設(shè)計有機化學(xué)品的高效合成路線和人工生物體系，逐漸從天然生物的輕度修飾向全人工合成的生物或生命過度，不僅可能高效利用原來不能利用的生物質(zhì)資源，也有可能高效合成原來不能生物合成、或者原來生物合成效率很低的產(chǎn)品。這將為突破自然生物體合成功能與范圍的局限，打通傳統(tǒng)化學(xué)品的生物合成通道，為發(fā)展先進生物制造技術(shù)、促進可持續(xù)經(jīng)濟體系形成與發(fā)展，提供重大機遇。
參考資料：
1、張媛媛, 曾艷, 王欽宏. 合成生物制造進展[J]. 合成生物學(xué), doi: 10.12211/2096-8280.2020-052.2、佚名. 合成生物制造的"魔力"[J]. 現(xiàn)代國企研究, 2015, 000(023):P.86-89.3、 杜立, 王萌. 合成生物學(xué)技術(shù)制造食品的商業(yè)化法律規(guī)范[J]. 合成生物學(xué) 2020年1卷5期, 593-608頁, 2020.4、 馬延和. 合成生物學(xué)及其在生物制造領(lǐng)域的進展與治理[J]. 科學(xué)與社會, 2014, 4(004):11-25.（文章內(nèi)容整理自上述參考資料，同時對其內(nèi)容進行了一定的簡化、補充，若有不足之處，歡迎指正）
