黄酒、酱油、醋，这些调味料是不是不起眼？腐乳、臭鳜鱼、螺蛳粉，这些“美味”是不是上不了台面？它们看起来low，背后却是人类利用微生物“细胞工厂”产生各种风味物质。这一系列技术由来已久，从酿酒，到生产青霉素，再到生产胰岛素/抗体药，每一次技术革新都能带来划时代的变化。现在我们已经可以编辑基因，对微生物细胞进行重新编程或从头设计，把它们做成更高效的“细胞工厂”，生产更有价值的生物活性物，这就是合成生物学。下面我们具体来讲：--1.从第一代发酵技术，到合成生物学赋能的第三代生物技术，三代生物科技的变革史：酒、青霉素、胰岛素，这三者都是利用“细胞工厂”产生的物质，但它们的生产工艺有本质区别。它们分别使用了多微生物自然发酵（酒）、单一微生物定向发酵（青霉素），和利用合成生物技术设计改造微生物进行定向发酵（胰岛素）。首先是人类利用多种天然微生物酿酒：酿酒一般包括两步，第一步将大米、小麦的淀粉分解成糖类，这个叫作糖化；第二步将葡萄糖通过糖酵解和脱羧产生乙醇，叫作酒化。两步用不同的微生物，第一步用到黑曲霉、米曲霉这些真菌；第二步用了酿酒酵母，两步合到一起做成酒曲，把粮食变成酒。多种微生物组合、粮食原料本身品质的差异，给酒带来独特风味，但也带来了问题：酒的品质无法保证。比如82年的拉菲卖3万，而83年的就只要6千。品控问题放在酒上还好，喝不死人，放在青霉素、胰岛素上就够呛了。所以产生单一化合物，势必要控制发酵原料的质量，并且从多种微生物组合变成单一微生物，尽可能减少变量。--人类利用单一微生物生产青霉素：1928年，弗莱明从青霉中找到一种可以杀死葡萄球菌的物质——青霉素，对整个健康领域是一次极大革新。很多细菌感染导致的疾病，像霍乱、肺炎都是不治之症。青霉素的出现拯救了很多人的生命。除了青霉素本身很有意思外，青霉素的生产也很有特点。化学合成青霉素并不容易，所以它是通过青霉发酵生产的[1]。但生产青霉素不是生产酒，你肯定不希望青霉素拥有多种口味。82年的青霉素卖3万，83年的青霉素卖6千，那就太可怕了。所以生产青霉素时，会使用单一且稳定的菌株，使批次间的青霉素质量差异变得更小。--人类改造“细胞工厂”，插入基因，产生胰岛素：青霉生产青霉素，还是自己生产自己本身有的东西。但有时候，人会希望利用“细胞工厂”产生它本身没有的东西。比如说：胰岛素。很早之前，人们就发现胰腺提取物可以帮助糖尿病患者降糖。礼来公司（Eli Lilly）曾经从动物胰腺中提取胰岛素，虽然药效可以稳定到25%，批次间差异可以控在10%以内，但产量低得惊人[2]。1965年，中国科学家通过化学合成的方式在世界上第一次合成了结晶牛胰岛素，但这种合成方式成本极高，根本不能投入工业化生产。直到1979年，Genentech公司在大肠杆菌中表达胰岛素A/B链蛋白，做出了第一个重组人源胰岛素[3]。随后，Genetech和礼来合作，制造了第一个人胰岛素HumulinR（优泌林）。现在看来，重组人源胰岛素这个工作相当容易，简单来说就是把人胰岛素的A/B链蛋白的编码DNA分别装到到大肠杆菌里，诱导产生蛋白，再通过一个化学反应产生A-B链中间的二硫键，人胰岛素就完成了[4]。但如果放到当时，是划时代的技术。人类第一次制造出了当时极其贵价的人胰岛素，帮助了无数人。这种操作基因，改造“细胞工厂”，产生高价值化合物的技术算是合成生物学的雏形。当然，现在的合成生物学比这个更高级。--2.现代合成生物学究竟在做啥？上面的人胰岛素，只能说是合成生物学的早期应用。随着DNA测序技术、DNA合成技术、基因编辑技术的不断完善，人类开始像搭积木一样搭配DNA元件，可以快速改造“细胞工厂”，各种各样的调控元件也越来越多。比如说光控表达的启动子、温度敏感的启动子、化学诱导表达的启动子。你可以随时随地改变一个化合物的表达量、表达纯度[5]。所有一切只为了一个目的：让“细胞工厂”更可控、更高效。--3.现代合成生物学让微生物“可控”之后，究竟用来生产什么东西？我们举些国内外合成生物学大厂的例子，看看大家喜欢哪些高价值的合成生物学产品。首先是2003年成立的合成生物学老牌大厂Amyris，最富盛名的是他们通过酵母/甘蔗合成角鲨烷（护肤原料）。另外，Amyris还生产青蒿酸（青蒿素前体）、香精、甜味剂等等。另外一家好玩的公司ImpossibleFood，主打产品是人造肉，就是素肉。国内比较有名的合成生物学企业Bluepha蓝晶生物，代表性产品是PHA（聚羟基脂肪酸酯，一种由微生物产生的塑料）。除此以外，国内也有做高价值生物活性物质的公司，比如老牌生物科技大厂华熙生物，之前就通过第二代生物技术定向发酵法生产很多生物活性物，如透明质酸、麦角硫因、依克多因、GABA氨基丁酸等产品，目前正在利用其打造的合成生物学技术平台生产更多生物活性物，如麦角硫因、胶原蛋白，红景天苷等。总体来说，现代合成生物学做什么很重要，目前都在选择高价值、低碳、对大众有普世作用的生物活性物质作为生产目标。--那现代合成生物学怎么生产一个高价值的生物活性物质呢？我们以麦角硫因为例，看看现在的公司怎么运用合成生物学。4.现代合成生物学怎么提高物质产量？麦角硫因是个人体不能合成的物质，主要用来对抗自由基。平时可以通过吃平菇、金针菇、杏鲍菇补充麦角硫因。但菌类中麦角硫因毕竟有限，你吃金针菇，就算吃到堵塞马桶，都吸收不了太多麦角硫因。麦角硫因这种自然界不易获得的高价值生物活性物，就很容易成为合成生物学的目标。首先，要偷师麦角硫因的天然合成途径。比如在细菌分枝杆菌中有一串基因EgtABCDE，五个连在一起，通过5个步骤可以把组氨酸、半胱氨酸、谷氨酸变成麦角硫因。如果把这串基因扔进大肠杆菌，也可以让大肠杆菌产生麦角硫因[6]。这里涉及到基因操作，找到外来基因，把外来基因导入到“细胞工厂”大肠杆菌里，产生目标化合物——麦角硫因。但这样还远远不够，因为麦角硫因产量太低。为了提高麦角硫因产量，又找了其他麦角硫因合成途径。比如在真菌粗糙脉孢菌中，麦角硫因的合成线路就要简单很多，用到NcEgt1/2两个基因，就可以产生麦角硫因[7][8]。-插入、敲除基因，可以使麦角硫因的合成产量进一步提高。比如在大肠杆菌中，移植进两条麦角硫因合成通路，除了加入基因EgtABCDE外，再加一个粟酒裂殖酵母的Egt1，双通路可以使麦角硫因合成增加到710 mg/L[9]。比如在大肠杆菌中，敲除大肠杆菌中甲硫氨酸合成途径的反向转录调控因子MetJ，可以使麦角硫因增加到1.3 g/L[10]。-最后，成熟的工艺可以进一步提高麦角硫因的产量。比如国内华熙生物用猴头菇生产麦角硫因，通过调整培养基葡萄糖量、牛肉膏量、辅酶烟酸含量，最终使发酵液中的麦角硫因从50 mg/L提高到400 mg/L[11]。这些经验也可以用在合成生物学生产麦角硫因的工艺上。另外，华熙生物在北京大兴建设了华熙生物合成生物技术国际创新产业基地，以及合成生物科学馆，目前华熙生物在合成生物学的布局已经开始初见规模。它算是目前国内为数不多战略布局合成生物学的大厂。大厂布局新领域，优势很明显。华熙生物在微生物发酵工艺上已经做了20多年，发酵技术水平较高，且很有发酵经验；同时手握透明质酸、麦角硫因、依克多因、GABA等多个自主专利的原料，有成熟的产业化经验和产业转化平台。应用合成生物学，可以进一步压缩生物活性物质的生产成本，让市场卷起来。相信未来也会有更多公司使用合成生物学，生产出更纯净、更高效、价格更低廉的产品。--总结：合成生物学，简单理解，就是通过改造基因信息对“细胞工厂”进行重新编程和不断迭代，高效可控地生产各种物质。生活中一些活性物质、香料、甜味剂、可降解塑料已经用到合成生物学。用更低廉的价格，生产出更高价值的产品。^Martín JF, Casqueiro J, Kosalková K, Marcos AT, Gutiérrez S. 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