生命科學也講究“算力”？“生物碼農”革新工具，合成生物學有望“點糖成金”

中國生物技術網

中國科學院微生物研究所

都知道有軟件開發者大會，聽說過生物開發者大會嗎？如果說軟件工程師是通過數字代碼編程，那麼生物開發者則是利用DNA編碼，從源頭開發生物新產品。比如，最近中國科學家利用二氧化碳人工合成澱粉這一堪稱“科幻”的技術，就將生物合成帶到了新境界。

當下，合成生物學方興未艾，由此湧現出一批熟練操控DNA編碼的生物開發“高手”。近日在上海舉行的全球首屆生物開發者大會上，來自清華大學、華東理工大學、上海科技大學等多所高校的團隊展開了現場角逐。或許在不久的將來，利用自然界生物大分子制成標准化“元件”，創建“模塊”“線路”等全新生物部件與細胞“底盤”，進而構建出的各類人造生命系統將會不斷出現，一個潛力巨大的新興產業正在孕育之中。

以DNA為編碼，專業的“生物碼農”來了

利用大腸杆菌合成大宗化工材料，以此擺脫人類對石油原料的束縛；通過改造酵母菌生產青蒿酸和稀有人參皂苷，降低制藥成本，促進新藥研發；引導工程菌不“誤傷”正常細胞，專一攻擊癌細胞……合成生物學的美好前景令人神往。

作為全球首屆生物開發者大會發起者之一，小熊貓生物創始人郭昊天表示，近年來，隨著專業分工越來越細，生物醫藥產業鏈條上出現了一個中間群體：他們既不研究生命基礎機制，也不從事臨床試驗或放大生產，而是專門從事發酵產品的菌株開發、底盤微生物的重構、蛋白質藥物設計，甚至是分子育種、類器官改造等，業內把這群人稱為“生物開發者”。

正如IT產業有寫代碼的軟件工程師一樣，生物開發者以DNA為“編碼”，專注於生物技術的源頭創新。比如，小熊貓生物提供的合成生物學細胞編程技術，就是給細菌編輯一段DNA代碼，讓它們根據實驗要求在細胞中“自主”完成工作。

上海交大副教授童垚俊則利用“基因剪刀”CRISPR為放線菌構建了一個多能遺傳操作“工具箱”。這些經過特定“設計和改造”後的微生物，有望兼容多種代謝途徑，成為智能微生物細胞工廠，去行使環境汙染物的高效生物降解、生物活性分子的綠色環保合成、特定藥物分子的原位靶向遞送治療等多種功能。

解決海量操控難題，亟需提升“生物算力”

僅一立方米大小的生物反應器，一年時間生產的澱粉量就相當於5畝玉米地，這就是二氧化碳人工合成澱粉創造的“奇跡”。令人驚歎的奇跡背後，是科學家從海量生物化學反應數據中設計出的一條僅包含10步主反應的從甲醇到澱粉的人工合成路線。

如果說人工合成澱粉還是實驗室裏的初步探索，生物開發者的身影在產業界已無處不在。芬凱科技董事長趙新岩向記者分享了一個香料產業的案例。一種需要15萬畝花田種植一年產出的香料提取物，若改用生物合成的方法，只需在培養皿中5天便可獲得。目前，公司已完成了香紫蘇醇—香紫蘇內酯的量產，如果一切順利，下一步即可合成出被稱為“香料之王”的降龍涎醚。

與IT工作者需要算力支撐一樣，生物開發者亟需高通量、低成本的“開發工具”，“海量”是他們面臨的最大難題。郭昊天表示，正如計算機算力的提升帶動了人工智能產業的第三次浪潮，“生物算力”的大幅提升，將促進合成生物學的突飛猛進。

為實現未來點“碳”成金、點“糖”成金的產業圖景，不少生物開發者不約而同地將事業起步定位在提供“生物算力”上。今年6月，小熊貓生物上線了可提供百萬級蛋白質重組的雲端實驗室服務，該服務比國際通用工具高了6個數量級，成本只有普通工具的百分之一。

童垚俊則開發了放線菌領域全球功能最完善的CRISPR遺傳操作工具箱，覆蓋了基因敲除、敲入、敲低、單堿基替換和組合編輯等幾乎所有DNA遺傳操作需求，將原本兩個多月敲除一個基因的操作縮短到十餘天，同時效率提高一個數量級。目前這套工具箱已無償分享給了美國勞倫斯伯克利國家實驗室、伯克利大學、康奈爾大學等全球百餘家研究單位使用。

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