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“今天的醫(yī)學(xué)、藥學(xué)，甚至物理、化學(xué)、計算機、信息科學(xué)和工程科技，都可以和生物學(xué)相關(guān)聯(lián)，這將成為生命科學(xué)集聚式發(fā)展的巨大引擎，提供巨大的推動力，最終集成的結(jié)果就是誕生了新的學(xué)科，即‘第三次生物技術(shù)革命’——合成生物學(xué)。”近日，在第十六屆西普會——中國健康產(chǎn)業(yè)（國際）生態(tài)大會上，中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院名譽院長鄧子新在主題演講中表示。

鄧子新指出，合成生物學(xué)就像蓋房子，可以根據(jù)明確的需求，吸取前人的經(jīng)驗，綜合考慮各個房間的功能，按所設(shè)計的藍(lán)圖進行備料、施工、裝修，必要時進行有的放矢的復(fù)修、改造或升級。

據(jù)了解，合成生物學(xué)是指通過對生物體進行有目標(biāo)地設(shè)計、改造乃至重新合成，實現(xiàn)以合成生物為工具，進行加工與合成的生產(chǎn)制造方式。

(資料圖)

合成生物學(xué)在現(xiàn)代生物學(xué)、化學(xué)、分子和細(xì)胞生物學(xué)、進化系統(tǒng)學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機和工程學(xué)、信息學(xué)等基礎(chǔ)上，由多學(xué)科深度交叉融合發(fā)展而來，發(fā)展迄今，已在生物藥物、生物能源、生物材料、醫(yī)療技術(shù)以及探索生命規(guī)律等諸多領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。

麥肯錫數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2025年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟價值將達到1000億美元，未來全球60%的物質(zhì)生產(chǎn)可通過生物制造方式實現(xiàn)。預(yù)計在2030-2040年，合成生物學(xué)每年帶來的經(jīng)濟價值將達到1.8至3.6萬億美元。

另據(jù)DeepTech公布的數(shù)據(jù)，截至2021年，中國合成生物學(xué)市場規(guī)模約為64.16億美元，較2020年增長39.38億美元。

聚焦未知的90%

在演講中鄧子新指出，自然篩選是藥物發(fā)現(xiàn)的傳統(tǒng)路徑，例如微生物和植物是很多重要天然藥物等大健康產(chǎn)品的源頭，多數(shù)藥物的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)路徑都是找到生物產(chǎn)生的某個活性分子，確定化學(xué)結(jié)構(gòu)以后，再誘變原始的生物通過發(fā)酵實現(xiàn)量產(chǎn)。

這一體系沿用至今，但是在生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)提取純化困難、產(chǎn)率產(chǎn)量低、浪費資源、污染環(huán)境等問題，另外，目前雖然發(fā)現(xiàn)和利用了很多藥物，但實際仍然無法面對疾病“危機四伏”的困擾，就像SARS、禽流感、埃博拉以及近期的新冠病毒，因為從微生物中找到一個新藥需要花費漫長的時間，同時藥物的使用又需要不斷更新?lián)Q代以對抗病原菌不斷產(chǎn)生的抗性。

面對這一困境，據(jù)鄧子新介紹，科學(xué)家的觸角開始聚焦到極端環(huán)境，例如到海洋幾千米深處挖掘新的微生物資源，因為極端環(huán)境中的生物可能會產(chǎn)生人類尚未發(fā)現(xiàn)的新藥物分子。例如武漢大學(xué)最近從海洋與紅樹林共生的真菌資源中，發(fā)現(xiàn)了一種化合物，對三陰乳腺癌的治療活性可能優(yōu)于紫杉醇。

“但是這些藥物的發(fā)現(xiàn)，其實仍然是整個微生物代謝產(chǎn)業(yè)中的滄海一粟、冰山一角，微生物代謝潛能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達到最大程度的釋放。”鄧子新表示，一個微生物可能擁有幾十個生物合成相關(guān)的基因簇，如果能找到這些基因簇，也就意味著可能找到幾十種藥物候選化合物，但是現(xiàn)在知道和利用的往往就只有一兩種，這些大量的隱性基因簇的深度挖掘是今后發(fā)現(xiàn)新藥的希望工程，全球很多實驗室都正在聚焦這未知的超過90%的資源，合成生物學(xué)則帶來了這樣的機會。

鄧子新指出，目前已經(jīng)可以關(guān)聯(lián)基因和化合物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，原來依賴樣本篩選，現(xiàn)在可以通過制造一個高效底盤去高效表達這些隱性基因簇，甚至對未知生物來源的環(huán)境DNA（eDNA）進行系統(tǒng)的挖掘，表達出各種產(chǎn)物，進而助推新藥候選化合物發(fā)現(xiàn)，同時發(fā)現(xiàn)這些化合物對應(yīng)的基因簇，進而提高基因誘變、重排、重組等手段，使其達到工業(yè)生產(chǎn)的目的。

據(jù)鄧子新介紹，目前合成生物學(xué)已經(jīng)進入高速發(fā)展階段，分子生物學(xué)、組學(xué)、生物信息學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方方面面的技術(shù)發(fā)展，都在驅(qū)動合成生物學(xué)步入飛速發(fā)展的快車道。

其中代謝工程和組合生物合成是生物代謝產(chǎn)業(yè)合成生物學(xué)的重要基礎(chǔ)，例如人類很早就發(fā)現(xiàn)抗生素對應(yīng)的合成基因都是成簇排列，構(gòu)成基因簇，包括結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、抗性基因等，進而使得后續(xù)研究變得相對容易，“現(xiàn)在可以做到很多原先想象不到的事?！?/p>

“就像我們現(xiàn)在可以針對不同菌株產(chǎn)生的同一類抗生素進行集成式的研究，找到它們之間生物合成的共性和規(guī)律性的機理，為了達到某一功能，把某個基因組去掉，換成另外的抗生素組分。還可以將各種不同類別的化合物，進行不同的排列組合，使得新藥設(shè)計像擺拼圖一樣，把基因在一個底盤細(xì)胞內(nèi)設(shè)計好以后，實現(xiàn)批量合成藥物，就像分別從尼可霉素和多氧霉素拿出一部分，就可以得到一系列化合物，這些都屬于專利產(chǎn)品?！编囎有卤硎尽?/p>

據(jù)了解，合成生物有兩種途徑：一種是自上而下，包括利用代謝和基因工程技術(shù)賦予活細(xì)胞新的功能；一種是自下而上，直接創(chuàng)建新的生物元器件，并通過搭建元器件形成更為復(fù)雜的生物系統(tǒng)，直至創(chuàng)造人工細(xì)胞和人工多細(xì)胞生命體。

鄧子新進一步表示，化學(xué)家可以通過化學(xué)半合成方法對抗生素進行結(jié)構(gòu)改造，而合成生物學(xué)家則可以找來合成某一類化合物的眾多菌種，針對不同菌株產(chǎn)生的同一類抗生素的生物合成途徑進行集成式的研究，找到它們之間合成的共性和規(guī)律性的機理。

例如慶大霉素、卡那霉素和安普霉素這類抗生素的合成無一例外地因為某個基因識別底物的可塑性形成多個平行途徑，合成生物學(xué)家就可以利用這種平行途徑，將不同部分的抗生素基因進行組合，在細(xì)胞內(nèi)有的放矢地導(dǎo)向不同的平行合成途徑，就可以基于老藥來研發(fā)出具有新功能的新藥衍生物。再通過基因簇的重編程發(fā)現(xiàn)同類化合物的衍生物，例如通過慶大霉素、卡那霉素重編程可以產(chǎn)生。

“就像慶大霉素、卡那霉素組合之后，新的結(jié)構(gòu)命名為慶卡霉素或卡慶大霉素，同理可以有慶普霉素或普卡霉素等等。這些新藥化合物可能有新的特性和作用，比如活性更強、所需劑量更低、毒副作用更弱、耐藥性也大大降低等。這些都是基于對生物合成基因分子水平的了解，使得合成生物學(xué)家可以對結(jié)構(gòu)進行改造，今天的學(xué)科交融、技術(shù)匯聚和理念提升，還在不斷催生新的機遇?！编囎有轮赋?。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用廣泛，市場快速發(fā)展

目前國內(nèi)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，根據(jù)2022年中國合成生物學(xué)綠色應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)感知調(diào)研組梳理，2021年，合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)成為投資市場最火熱的賽道之一，據(jù)公開資料，2021年中國合成生物學(xué)獲得投融資16起，較2020年增長10起，獲得22.95億元的融資金額，較2020年增長1.36億元。

到2022年，合成生物學(xué)企業(yè)融資頻次和數(shù)額再創(chuàng)新高，據(jù)上述調(diào)研組不完全統(tǒng)計，2022年中國合成生物學(xué)企業(yè)融資頻次至少已經(jīng)達到43起，融資金額已經(jīng)超過66億元，創(chuàng)下了新的融資紀(jì)錄。

從融資用途來看，企業(yè)的融資主要用于布局醫(yī)藥健康、精細(xì)化學(xué)品、替代蛋白、美妝功能成分等產(chǎn)品的研發(fā)，也有用于大宗商品的大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等研發(fā)。

到2023年，據(jù)中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所研究員熊燕分析，全球合成生物學(xué)方面投融資呈下降趨勢，2023年第一季度，全球合成生物學(xué)領(lǐng)域的初創(chuàng)公司籌集了約28億美元，是過去三年來同期最少的一個季度，這體現(xiàn)了投資走向理性、精準(zhǔn)之路。

鄧子新表示，合成生物學(xué)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用范圍非常廣，青蒿素即為經(jīng)典案例。據(jù)了解，用人工酵母細(xì)胞合成生物學(xué)方法生產(chǎn)抗瘧藥原料青蒿酸，直接替代從天然植物提取的青蒿素，成本大幅降低，具有穩(wěn)定而理想的低價優(yōu)勢，可以產(chǎn)生足夠的數(shù)量來治療每年3~5億的瘧疾感染病例，是合成生物學(xué)領(lǐng)域目前最成功的產(chǎn)業(yè)化案例之一。

另外根據(jù)鄧子新介紹，通過合成生物技術(shù)中間體生產(chǎn)維生素E的湖北某企業(yè)，產(chǎn)值竟在一年間翻了十倍，一躍成為世界唯一利用合成生物中間體生產(chǎn)維生素E的生產(chǎn)廠商，在中國一舉實現(xiàn)維生素E先進完整產(chǎn)業(yè)鏈的跨越，填補了全球維生素E產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟安全、簡便高效、綠色環(huán)保的空白。

除了上述應(yīng)用，由于合成生物學(xué)突破了天然藥物發(fā)現(xiàn)的瓶頸，通過設(shè)計新的生物合成途徑，可以產(chǎn)生更多天然藥物及類似物。還可以用于開發(fā)快速、靈敏的診斷試劑和體外診斷系統(tǒng)，滿足早篩查、臨床診斷、療效評價、治療預(yù)后、出生缺陷診斷等需求；將合成生物學(xué)原理與半導(dǎo)體技術(shù)融合，發(fā)展納米藥物傳導(dǎo)遞送，將為腫瘤、糖尿病等疾病的高效、精準(zhǔn)治療提供多樣化的策略等。

上述調(diào)研組進一步指出，醫(yī)療健康行業(yè)是合成生物學(xué)影響最大的重要領(lǐng)域，上中下游均有覆蓋，包括細(xì)胞免疫療法、醫(yī)療耗材、體外檢測、藥物成分生產(chǎn)以及制藥用酶等諸多方向。

例如在細(xì)胞免疫療法領(lǐng)域，嵌合抗原受體T細(xì)胞、T細(xì)胞受體基因工程化的T細(xì)胞、腫瘤浸潤性淋巴細(xì)胞、嵌合抗原受體NK細(xì)胞等多種類型的細(xì)胞療法，正呈百花齊放的態(tài)勢。新冠疫苗的快速研發(fā)，同樣可見合成生物學(xué)技術(shù)的功勞。

由此看來，合成生物學(xué)所帶來的顛覆性變革，已經(jīng)或正在不少領(lǐng)域上演。

但是在快速發(fā)展的同時，在鄧子新看來，近年來中國原始創(chuàng)新技術(shù)快速發(fā)展，但是獨辟蹊徑的技術(shù)仍然比較少，尤其在應(yīng)用方面，例如基因編輯多使用國外技術(shù)，雖然今天沒有受限，但是如果未來中國這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大以后，會不會受限仍未可知。

鄧子新進一步表示，目前合成生物學(xué)在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景引起全球各國的高度關(guān)注和資助，美英兩國尤為突出，相應(yīng)的，美英兩國無論在合成生物學(xué)研究層面還是應(yīng)用層面，都處于世界領(lǐng)先地位，與其相比，我國的差距仍非常明顯。形勢逼人，挑戰(zhàn)逼人，使命逼人。

但是鄧子新同時指出，合成生物學(xué)正在冉冉升起，并在顛覆傳統(tǒng)大健康產(chǎn)品的研發(fā)路徑，現(xiàn)在可以變得更主動，進而產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新?！翱偠灾飳W(xué)家和工程師正在融合，可以看到合成生物學(xué)是一個工學(xué)的、生物理學(xué)的學(xué)科，能對生物體進行重新布線和編程，如果說今天這一學(xué)科仍處于嬰兒或者幼兒時期，那么可能用不了幾年就會進入成人期。”

“合成生物學(xué)可能推動一個產(chǎn)業(yè)的騰飛，為汽車提供綠色的能源，為我們提供健康的食品，還能推動癌癥診療，幫助解決重大醫(yī)學(xué)難題，相信合成生物學(xué)最終能夠改變我們的生活?！编囎有卤硎?。

（文章來源：21世紀(jì)經(jīng)濟報道）