倪俊：合成生物學已被認為是21世紀最重要的生物技術平台

DeepTech深科技

DeepTech深科技官方百家號

從《侏羅紀公園》中利用克隆技術複活恐龍到《逃出克隆島》中的克隆人用於器官移植，到哈佛大學研究人員提出複活猛獁象的可行方案，再到中國科學家成功開發可供人體移植的豬器官，“將科幻電影情節變為現實的背後，都依靠同一種技術 —— 合成生物學。” 倪俊說。

所謂合成生物學，簡單說就是利用工程設計理念來改造或者創制人工生命系統，從而讓細胞完成設定的任務，其建立在基因讀寫技術發展的基礎上。2000 年，美國科學家 James J. Collins 開發出了遺傳開關，這通常被認為合成生物學的開端。2010 年，Craig Venter 創造出了第一個人造生命。之後合成生物學快速發展，出現了非天然核酸、蛋白質從頭設計、單條染色體酵母和大腸杆菌基因組全合成等一系列里程碑式的工作。

“雖然合成生物學是生命科學新的分支，但它已經被認為是 21 世紀最重要的生物技術平台。” 倪俊副教授強調了這種技術的重要性。早在 2004 年，《麻省理工科技評論》將合成生物學評為改變世界的十大新技術之一。合成生物學得到了世界各國的重視，美國將其認為 21 世紀優先發展的六大戰略性技術，歐盟對於合成生物學的投入占到研發總投入的三分之一，中國也將合成生物學列為戰略性前瞻性的重點發展方向，並且設立了國家重點研發計劃合成生物學專項。

“合成生物學目前最為廣泛的應用就是人工細胞工廠” ，倪俊介紹道。所謂人工細胞工廠，就是將微生物細胞當作微型工廠，通過引入定制的生產線，生產我們所需要的東西，包括生物燃料、可降解塑料、食品、藥品等。因此，細胞工廠具有十分重要的應用前景，2013 年美國科學家在酵母中引入了青蒿素的合成途徑，開發出了利用葡萄糖來生產青蒿酸的人工細胞工廠。

基於這種技術，100 立方米發酵罐中獲得青蒿素的量與 5 萬畝黃奧蒿獲得的產量相當，這使得抗瘧疾藥物的成本下降了 90% 以上。利用合成生物學技術，還可以開發用來生產大麻素和神經類藥物的人工細胞工廠。

倪俊團隊在今年通過合成生物學實現了熊果苷等糖苷類化合物的生產。當然，他們的工作不局限於此。在演講中，倪俊介紹了團隊的一系列工作：在大腸杆菌中引入了香蘭素的合成途徑，構建了細胞工廠並且開發了溫度控制的策略，使得香蘭素的產量和產率達到全球最高水平；利用細胞工廠來構建了可以生產可降解塑料的聚乳酸、工業原料 1,3 - 丙二醇和戊二酸等許多物質；實現可降解塑料聚乳酸和天然香料的產業化……

在倪俊團隊的諸多成就中，最耀眼的無疑是他們提出的 “光驅動合成生物學”。倪俊介紹說，基於異養微生物的傳統細胞工廠並沒有實現真正的綠色生產。“早在一百多年前就有科學家提出真正的綠色合成是利用類似的植物方式來進化合物的生產，而碳回收也被認為合成生物學最高成就之一” ，他說。雖然目前科學家利用合成生物學技術對大腸杆菌和酵母菌進行改造，獲得了可以利用二氧化碳的微生物，但這些微生物生長慢、固碳效率低，失去了應用價值。

該團隊注意到，自然界中存在一類光合自養的微生物，藍藻，可以利用太陽能來固定二氧化碳，同時它的太陽能的利用效率比陸生植物高差不多 10 倍。“我們研究發現藍藻特殊的類囊體結構使得它可以表達幾乎所有植物來源的基因，包括許多在大腸杆菌等常用微生物中難以表達的基因。同時，光合作用產生的能量和還原力會推動合成反應，因此藍藻非常適合進行天然產物的生產” ，倪俊說。基於這類微生物他們提出了光驅動合成生物學：以藍藻中的聚球藻作為光驅動細胞工廠，在其中引入了不同生產線，從而直接利用二氧化碳合成乳酸、1,3 - 丙二醇和天然產物等不同的化合物。

目前倪俊團隊已經構建出了一個全球最大的天然產物光合細胞庫，包含了上百種的光驅動細胞工廠，直接利用二氧化碳生產的天然產物可以廣泛應用於醫藥、保健和化妝品行業。

倪俊介紹，這個光合細胞庫應用前景廣闊，比如光驅細胞工廠生產的柚皮素有助於抑制和治療新冠肺炎，而白藜蘆醇和熊果苷等天然產物可以用來生產保健品和化妝品 “柚皮素這種物質具有抗病毒的功效，可以競爭性結合上皮細胞的 ACE2 受體，從而可以阻止新冠病毒的入侵，因此可以用來預防新冠疾病。同時柚皮素可以減輕肺部的炎症反應，因此可以用來治療新冠肺炎等疾病。” 他解釋說。

此外，光驅動合成生物學還可應用於細胞治療。團隊利用聚球藻結合光動力學療法，在小鼠中實現了乳腺癌的治療。這種方法對於癌細胞的抑制效果接近百分之百，他們將這種創新的療法稱為藍細胞療法，工程化的藍細胞還可以用來治療代謝疾病

其團隊關於光驅動細胞工廠的工作已經連續被國際期刊選做封面，這種新型的合成生物學平台與以往的技術相比具有明顯優勢，且具有商業化價值和產業化前景，未來有望改善人類生活。

目前，倪俊團隊正在主持國家重點研發計劃的首個光驅動合成生物學的課題，聯合了國內優勢的研發團隊，希望打破科研成果轉化的最後一公里。“2019 年，合成生物學被美國列入了技術封鎖的清單，但是中國在合成生物學領域的研究水平並不弱，我也相信全球第一家光驅動合成生物學的公司在不久後會誕生在中國。” 倪俊在演講的最後說。