經(jīng)緯科創(chuàng)匯合成生物學(xué)專場(chǎng)又與大家見(jiàn)面了，我們邀請(qǐng)到了學(xué)界與業(yè)界的資深專家，以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來(lái)進(jìn)行交流。

本篇是我們合成生物學(xué)系列的第4篇文章，訪談對(duì)象是清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)，陳教授長(zhǎng)期從事“微生物和生物材料”的研究，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表微生物技術(shù)和生物材料相關(guān)論文300多篇，開(kāi)發(fā)的技術(shù)已經(jīng)在數(shù)家公司用于大規(guī)模生產(chǎn)微生物塑料聚羥基脂肪酸酯PHA。

我們與陳教授探討了合成生物學(xué)在發(fā)酵生產(chǎn)中的常見(jiàn)問(wèn)題、如何選品，以及一些新的技術(shù)突破。如果你想更系統(tǒng)的了解合成生物學(xué)，請(qǐng)參考我們的往期文章：《用細(xì)菌生產(chǎn)一切，合成生物學(xué)的衰落與崛起》、《前沿技術(shù)探索：如何投資合成生物學(xué)》。以下，Enjoy：

• 如何突破大規(guī)模量產(chǎn)的問(wèn)題？

• 如何選品？

• 最近有哪些里程碑式的技術(shù)突破？

• 合成生物學(xué)的當(dāng)下和未來(lái)

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如何突破大規(guī)模量產(chǎn)的問(wèn)題？

在上一波案例里，前面的構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)-再設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是用合成生物學(xué)的方法在做，但最終需要通過(guò)發(fā)酵來(lái)大規(guī)模制造，不管終端產(chǎn)品是人造肉、藥物，還是化工品、護(hù)膚品，做這些小分子都需要通過(guò)發(fā)酵，在大規(guī)模制造的過(guò)程中就遇到了工藝放大的問(wèn)題。

以前業(yè)界喜歡用大腸桿菌、羅氏桿菌、芽孢桿菌等容易操作的底盤(pán)菌去做，但在工藝放大的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到染菌問(wèn)題。比如哪里漏了，或者過(guò)濾出了問(wèn)題，外面的菌種就會(huì)進(jìn)來(lái)，污染整個(gè)體系，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率下降，甚至不得不倒罐。

我自己的創(chuàng)新就是用一個(gè)新的底盤(pán)細(xì)胞——嗜鹽菌。嗜鹽菌本身也需要做很多表達(dá)系統(tǒng)的改造，它的優(yōu)點(diǎn)是在大規(guī)模發(fā)酵時(shí)不會(huì)染菌。有了這個(gè)底盤(pán)菌，加上合成生物學(xué)的技術(shù)迭代，后續(xù)的其他環(huán)節(jié)會(huì)更加順利，這是非常重要的前提保證。

在學(xué)術(shù)界，很多突破是在上游，例如菌種設(shè)計(jì)和篩選。而對(duì)于發(fā)酵工藝環(huán)節(jié)，沒(méi)有獲得足夠重視。對(duì)于產(chǎn)業(yè)界，能否量產(chǎn)決定生死。發(fā)酵做不好，菌種再好最終還是會(huì)失敗。

菌株篩選是在很小規(guī)模的培養(yǎng)試管或平板里做，但量產(chǎn)就需要放大，從幾升放大到幾千升、幾萬(wàn)升，再到幾十萬(wàn)升，所以必須得踏踏實(shí)實(shí)做，一步一步來(lái)，沒(méi)有捷徑可走。

陳國(guó)強(qiáng)：你說(shuō)得對(duì)，一些合成生物企業(yè)在上游的菌種篩選方面，都做得非常好，有高通量的篩選方法，但是必須要在小試、中試到大規(guī)模生產(chǎn)這方面下功夫。要想最終成功，沒(méi)有多年的積累，包括不同規(guī)模的工藝優(yōu)化，一切都不太行，過(guò)程放大不會(huì)一蹴而就。

這方面需要經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)于新菌種、新底盤(pán)、新產(chǎn)品，需要去研究他們的特性，因?yàn)橐坏┓糯笊a(chǎn)，對(duì)壓力、溫度等等各種精細(xì)的調(diào)控，難度系數(shù)會(huì)成倍數(shù)增加。當(dāng)然，如果用一些更合適的底盤(pán)菌，比如后續(xù)不需要滅菌操作的嗜鹽菌，會(huì)容易很多減少不少困難。我們現(xiàn)在用嗜鹽菌除了生產(chǎn)材料之外，也可以做其他小分子產(chǎn)物，我覺(jué)得這會(huì)給發(fā)酵工藝帶來(lái)一場(chǎng)革命。

陳國(guó)強(qiáng)：當(dāng)然有的。我做了幾十年可降解塑料PHA，經(jīng)歷過(guò)很多。我們以前在實(shí)驗(yàn)室做的時(shí)候，最初各方面指標(biāo)都很漂亮，就是成本還有點(diǎn)高，期望能通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)來(lái)降低成本。

我們也找了一些工廠合作，規(guī)模很快上去。但在放大生產(chǎn)的過(guò)程中，因?yàn)槲⑸锏拿芏茸兏?，也需要配套采用一些特殊技術(shù)，以及控制發(fā)酵溫度、時(shí)間、溶氧和雜菌污染等等。此時(shí)，微生物密度高就帶來(lái)了幾個(gè)問(wèn)題，包括培養(yǎng)時(shí)間變長(zhǎng)、染菌的幾率變大等等。染菌是比較麻煩的，因?yàn)樾枰罅渴褂每諝?，過(guò)濾系統(tǒng)就會(huì)壓力很大，可能有一些外界的微生物跑進(jìn)整個(gè)罐內(nèi)體系里，引起染菌。

我們當(dāng)年嘗試過(guò)模擬的方法，但在實(shí)驗(yàn)室其實(shí)很難模擬出真正的工業(yè)環(huán)境。我們?cè)诠I(yè)上操作嗜鹽菌有8年了，發(fā)現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，每一次都要跑回實(shí)驗(yàn)室來(lái)優(yōu)化微生物的基因回路，以及對(duì)代謝通路進(jìn)行改造，最終才有可能成功，很難越過(guò)這么一個(gè)反復(fù)優(yōu)化的過(guò)程。另外還有對(duì)技術(shù)人員的培養(yǎng)，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)需要有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的工程師。總之我想強(qiáng)調(diào)的是，任何一個(gè)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)界，一定是需要有五年、十年，甚至十五年的周期來(lái)發(fā)展，不可能一蹴而就。

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如何選品？

在化工領(lǐng)域，替代機(jī)會(huì)比較多，例如我們?cè)谧龅纳锟山到獠牧希彩怯煤铣缮飳W(xué)的方法來(lái)做，沒(méi)有有機(jī)溶劑、沒(méi)有高溫高壓，整個(gè)過(guò)程只需要非常溫和的條件。但因?yàn)楦泳G色、嗜鹽菌技術(shù)為基礎(chǔ)的下一代工業(yè)生物技術(shù)，制造成本也不太高，應(yīng)用前景比較廣闊。

如果能研發(fā)出新產(chǎn)品，比如大麻二酚這些可以藥用的產(chǎn)品，原來(lái)市場(chǎng)里產(chǎn)量特別少，附加值特別高，處理好監(jiān)管問(wèn)題，就大概率有很好的前景。

總體來(lái)說(shuō)，選品思路就是兩種，一種是選單品價(jià)格高，目前市場(chǎng)規(guī)模小一些；另一種是選單品價(jià)格低，但是整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模非常大，需求很高的。用新的技術(shù)突破，去替代或是與傳統(tǒng)化工方法更高效地結(jié)合。

PHA現(xiàn)在的問(wèn)題是，碳轉(zhuǎn)化率還有點(diǎn)低，所以制造成本比較高?，F(xiàn)在我們通過(guò)合成生物學(xué)的辦法，試圖提高PHA的轉(zhuǎn)化率，包括嘗試把二氧化碳固定下來(lái)轉(zhuǎn)化為PHA等等。我們希望未來(lái)能把PHA的成本，降低到和PBAT、PLA一樣的水平，這個(gè)材料才能真正發(fā)揮出市場(chǎng)和應(yīng)用潛力。

在生產(chǎn)層面，PHA的整個(gè)制造過(guò)程是在水里進(jìn)行的，不需要高溫、高壓，這個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境也很友好，它甚至可能是未來(lái)制造的一種模式，會(huì)有很大的促進(jìn)作用。

微構(gòu)工場(chǎng)核心產(chǎn)品與應(yīng)用

但像我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里做，因?yàn)闆](méi)有那么多的錢和人，我們采用另外一種方式——壓力篩選。例如當(dāng)需要篩選一些嗜鹽菌，我們一般是采用一個(gè)壓力，比如把鹽的濃度降到與一般的培養(yǎng)基一樣，讓微生物在合適的低鹽環(huán)境里篩選，最后通過(guò)自然進(jìn)化也能成功，有時(shí)候的效率甚至比平臺(tái)還高，因?yàn)樗吹靡?jiàn)，且容易控制篩選的壓力。比如通過(guò)十克每升的鹽做一個(gè)篩選，海水一般是30-60克每升的鹽，一個(gè)搖瓶做下來(lái)篩選十億個(gè)，可能就只有一個(gè)活下來(lái)，但這個(gè)篩選效率已經(jīng)挺高的，時(shí)間周期也不長(zhǎng)。

在藥物方面，因?yàn)閷徟^(guò)程比較久，除非是像新冠疫苗這樣的特殊情況，可以快速上臨床。而其他的動(dòng)物、植物相關(guān)領(lǐng)域，要真正落地到產(chǎn)業(yè)界，需要的時(shí)間會(huì)比較久。

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最近有哪些里程碑式的技術(shù)突破？

酵母是一個(gè)天然的生命體，基因一生出來(lái)就是16條，但是現(xiàn)在通過(guò)技術(shù)變成了1條，并且還活得好好的。在動(dòng)物身上，未來(lái)是否會(huì)有相關(guān)的改造？比如目前肉類的轉(zhuǎn)化率中，雞肉是最高的，那可不可以通過(guò)基因編輯，讓牛肉的轉(zhuǎn)化率也變高，是不是就解決了未來(lái)肉類供應(yīng)不足的問(wèn)題，當(dāng)然這里面涉及復(fù)雜的倫理問(wèn)題。

酵母染色體融合的策略

以及對(duì)于一些珍稀的動(dòng)物，比如說(shuō)熊貓繁殖得慢，是不是可以通過(guò)基因編輯的方法，讓它更容易成長(zhǎng)，這些在未來(lái)都是可以憧憬的。

未來(lái)的植物，比如說(shuō)水稻在東南亞可以收3-4個(gè)季，但在中國(guó)最多兩季，是不是通過(guò)基因編輯方法，使水稻可以收4個(gè)季，那么糧食問(wèn)題就容易解決了。

甚至更進(jìn)一步是人的壽命，受端粒酶控制。那如果對(duì)端粒酶縮短的過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，人的壽命是不是可以延長(zhǎng)，這些都是基因編輯可以想象的目標(biāo)。

第二個(gè)技術(shù)突破是中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，他們用二氧化碳與氫氣先合成甲醇，然后用從甲醇出發(fā)體外合成淀粉，并且重新設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化路徑，只需要11步。這里面也用到了合成生物學(xué)的辦法，體外設(shè)計(jì)和構(gòu)建酶的轉(zhuǎn)化路徑。

大致可以分為四個(gè)模塊，首先把二氧化碳和氫氣用無(wú)機(jī)催化劑還原為甲醇，然后將還原的甲醇轉(zhuǎn)換成為三碳，然后將三碳合成六碳，最后再將六碳聚合成為淀粉。從甲醇到淀粉的過(guò)程，是多步的體外合成過(guò)程，令人印象深刻。

第三個(gè)突破，像我們?cè)谧龅挠檬塞}菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)底盤(pán)細(xì)胞，使整個(gè)微生物發(fā)酵中不會(huì)染菌，在未來(lái)可能對(duì)工業(yè)生物技術(shù)會(huì)有一個(gè)比較大的影響，會(huì)讓發(fā)酵變得更加簡(jiǎn)單，放大生產(chǎn)也少了很多風(fēng)險(xiǎn)，我認(rèn)為也是重大突破之一。

還有一些新技術(shù)也是令人印象深刻的。例如中科院深圳先進(jìn)院和天津大學(xué)的一個(gè)合作課題，他們把DNA拿去做信息儲(chǔ)存。如果未來(lái)能夠把成本降低，這將是更加有效的儲(chǔ)存手段。以及中科院先進(jìn)院用模型來(lái)預(yù)測(cè)微生物的生長(zhǎng)方式，這種理論方面的突破，也是令人印象深刻的。

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合成生物學(xué)的當(dāng)下和未來(lái)

如今的一些新建設(shè)，例如深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的合成生物學(xué)大基礎(chǔ)設(shè)施就非常好，它給全國(guó)的從業(yè)者提供了一個(gè)平臺(tái)，為全行業(yè)節(jié)省了時(shí)間和資金，它對(duì)未來(lái)國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)的發(fā)展應(yīng)該非常有幫助。

未來(lái)非常重要的一點(diǎn)是，在某個(gè)大眾領(lǐng)域出現(xiàn)新的爆款產(chǎn)品，它能使家家戶戶都切實(shí)感覺(jué)到，合成生物學(xué)在解決大眾的問(wèn)題。當(dāng)然現(xiàn)在大家很熟悉的氨基酸、維他命、抗生素，很多都是這樣生產(chǎn)出來(lái)的，但大家可能不太有感覺(jué)。未來(lái)在新材料這一塊，當(dāng)大家看到合成生物學(xué)做出了非常實(shí)用的新材料，可能會(huì)讓大家有感覺(jué)。無(wú)論是通過(guò)PHA材料來(lái)解決白色污染問(wèn)題，還是未來(lái)通過(guò)基因編輯植物或者動(dòng)物來(lái)解決糧食和蛋白的缺口，以及藥物的微生物生產(chǎn)，特別是mRNA疫苗，合成生物學(xué)會(huì)有越來(lái)越高的社會(huì)影響力。