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“一切皆可造”的技术有多厉害?带你探秘合成生物学
“一切皆可造”的技术有多厉害?带你探秘合成生物学

“一切皆可造”的技术有多厉害?带你探秘合成生物学

迎来了发展的春天。前段时间,中国科技日报社和中国生物工程学会联合发布的显示,有57.81%的受访者看好合成生物学技术未来十年的发展。不只是中国,放眼全球,合成生物学方兴未艾。

麦肯锡数据显示,预计到2025年,合成生物学与生物制造的经济价值将达到1000亿美元,未来全球60%的物质生产可通过生物制造方式实现。

什么是合成生物?用最通俗的话来说,合成生物学(Synthetic Biology)可以理解为生物学的工程化,相当于解构各种基础生物元件,然后重新构建具有期望功能的生物系统,生产各种我们想要的东西。

作为一门前沿交叉学科,合成生物适用范围基本上涵盖了大多数领域,在医药、健康、制造、农业等领域具有广阔应用前景。

如果我们把微生物里的基因看成是各种各样的代码,那么合成生物就相当于一项编程工作,可以改变原有的代码,也可以从无到有把代码重新写过。最终产出一个特定功能的软件,再发展成一个互联网生态。

如果把基因看成是电子元件,那么最终微生物就类似于一个计算机。通过合成生物这种基因编程手段,去设计这些微生物,构建特定的基因回路。再组装成集成系统连成网络,最后设计组装具有特定功能的人工生命系统。

合成生物学诞生于21世纪初,是生物学、工程学、化学和信息技术等相互交叉融合的新兴领域。合成生物学利用基因组测序、生物工程、化学合成和计算机模拟等技术进行生命设计与合成再造,突破原有生物系统的限制,创造出更加符合产业化的新型生物系统,应用于医药、能源、化工、农业、环境等多个领域,集低碳、可持续、低成本等多优势于一体。

2013年,一项大名鼎鼎的基因编辑技术——CRISPR-Cas9横空出世,它直接让人类拥有了“上帝之手”,可以任意框选想要修改的DNA序列。CRISPR技术大大降低了基因编辑的难度和成本,彻底改变了合成生物学。

在细胞代谢途径的构建和改造中,CRISPR技术被广泛使用,不仅开发和设计出了大量新的基因编辑元件、工具和基因线路,还成功地应用于微生物细胞工厂的构建。

在原料环节,以糖、油脂等可循环再生物质替代不可再生的化石资源。生物质燃烧或分解放出的二氧化碳量和生物生长过程中从自然界吸收的二氧化碳量相等,因此生物质的生命周期是一个封闭的碳循环。从而更好地维持自然的碳循环,减少对石化资源的依赖。

在生产环节,生物发酵的环境比化工生产中常见的高温高压环境更温和,在能耗上也更具优势。而在产物提取过程中,生物制造更多采用环境友好型的提取和纯化法,替代传统化学合成的高污染、高腐蚀性的有机溶剂。

除却自身的绿色优势外,合成生物的应用极为广泛,农业、食品、服装、能源化工燃料、化妆品、环境保护和生物医药甚至军事等领域,合成生物都可以涉及。比如对植物基因定向设计,可以改变原有合成代谢通路,提高理想产物的产量,还可以通过植物微生物组工程从而减少肥料使用,做到绿色农业。

如今,合成生物头部企业通过设计构建生产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞,成功使得100立方米工业发酵罐替代了5万亩农业种植的产能,大大降低了成本,提高产量。有生物纺织品制造公司利用通过将转基因酵母,水和糖组合在一起,通过发酵转化成生丝,并用这些人工合成蜘蛛丝制成织物成功销售。

在合成生物学发展的同时,也面临不容忽视的问题。合成生物学的“造物”特征挑战了人们对于生命的传统价值观念,其“生物设计”环节易引发伦理和安全争议。不可否认,合成生物学未来可期,但健康的行业生态,仍需要各方努力构建。

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