世界上的工廠(chǎng)千千萬(wàn)萬(wàn)，但你見(jiàn)過(guò)“細胞工廠(chǎng)”嗎？在這里，生產(chǎn)車(chē)間里忙碌的不是“打工人”，而是一個(gè)個(gè)用顯微鏡才能看清楚的細胞，它們不吃不睡，兢兢業(yè)業(yè)生產(chǎn)出人類(lèi)需要的高價(jià)值天然產(chǎn)物。今天，就讓我們一起走進(jìn)“細胞工廠(chǎng)”，見(jiàn)識一下那些神奇的“微生物打工仔”。
細胞里建工廠(chǎng)？科學(xué)家打造了一個(gè)奇幻世界
今年《政府工作報告》提出，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，積極打造生物制造等新增長(cháng)引擎。而蓬勃興起的“細胞工廠(chǎng)”，正在為發(fā)展生物經(jīng)濟釋放出巨大潛力。
所謂“細胞工廠(chǎng)”，是指科學(xué)家將生物細胞設計成一個(gè)個(gè)“加工廠(chǎng)”，以細胞自身的代謝機能作為“生產(chǎn)流水線(xiàn)”，以酶作為催化劑，通過(guò)計算機輔助，設計高效、定向的生產(chǎn)路線(xiàn)，并且通過(guò)基因技術(shù)，強化有用的代謝途徑，從而將生物細胞改造成一個(gè)個(gè) “超級工廠(chǎng)”。
它為人類(lèi)打開(kāi)了“一切皆可造”的想象空間。比如，只要一個(gè)細胞，就能推動(dòng)各種人造動(dòng)物肉生產(chǎn)，不需要適配血型，還能長(cháng)期保存、隨取隨用人造血。再比如，以玉米等植物為原料，合成更輕量、可回收的基建材料。它還能讓稀缺用藥，成為普通人買(mǎi)得到、用得起的好藥。
“細胞工廠(chǎng)”與我們平常熟知的工廠(chǎng)一樣，具有不同生產(chǎn)階段的車(chē)間，即微生物的細胞器等。但“細胞工廠(chǎng)”的本質(zhì)，又區別于一般工廠(chǎng)。有時(shí)，細胞工廠(chǎng)可能只是由一類(lèi)微生物組成，并不具備完善的流水線(xiàn)工程。
如今，在科學(xué)家設計下，秸稈、木薯、藍藻等生物質(zhì)原料，通過(guò)微生物細胞工廠(chǎng)的作用，可轉變成丁二酸、甲烷、乙醇等化學(xué)產(chǎn)品，為化學(xué)工業(yè)體系提供原料。
“細胞工廠(chǎng)”能夠以可再生的生物質(zhì)資源，替代不可再生的化石資源，以清潔生物加工方式，替代化學(xué)加工方式，具有節能、環(huán)保、高效、可持續的特點(diǎn)。
可以說(shuō)，繼醫藥生物技術(shù)、農業(yè)生物技術(shù)之后，工業(yè)生物技術(shù)成為國際生物技術(shù)發(fā)展的“第三次浪潮”。
據世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織預測，到2025年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟價(jià)值將達到1000億美元，到2030年，35%的化學(xué)品和其他工業(yè)品，將出自工業(yè)生物技術(shù)，每年可降低25億噸二氧化碳排放。未來(lái)全球60%的物質(zhì)生產(chǎn)，可通過(guò)生物制造方式實(shí)現。
在這個(gè)已“鳴槍起跑”的生物經(jīng)濟新賽道上，通過(guò)“細胞工廠(chǎng)”合成生物，或可解決人類(lèi)食品短缺、能源緊張、環(huán)境污染、醫療健康等方面問(wèn)題，對全球可持續發(fā)展至關(guān)重要。
吃空氣產(chǎn)萬(wàn)物，“藍藻工廠(chǎng)”走入現實(shí)
“我們打造的是以陽(yáng)光和空氣為原料的‘細胞工廠(chǎng)’，使用基因編輯等合成生物技術(shù)，改造光合微生物藍藻，利用藍藻繁殖速度快、光合作用效率高的特點(diǎn)，規�；a(chǎn)特定物質(zhì)�！鄙虾＝煌ù髮W(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院特別研究員倪俊介紹。
以化妝品中常用的天然活性抗氧化成分——“白藜蘆醇”為例，在葡萄、花生等植物中，“白藜蘆醇”含量通常不足萬(wàn)分之一。使用“藍藻工廠(chǎng)”后，每生產(chǎn)一噸“白藜蘆醇”，可相應縮短生產(chǎn)周期240倍，節約土地72750畝，吸收二氧化碳超過(guò)2000噸。
“我們可以隨心所欲改造藍藻，引入不同植物的代謝途徑，就相當于把藍藻變成‘人參’‘葡萄’等植物�！蹦呖≌f(shuō)，“從理論上說(shuō)，只要是自然界植物能產(chǎn)生的物質(zhì)，都能用‘藍藻工廠(chǎng)’來(lái)生產(chǎn)�！�
改造藍藻的過(guò)程并不復雜，第一步是明確想得到什么物質(zhì)，比如某種材料分子或藥物分子。然后分析這種物質(zhì)在植物中的代謝路徑，將路徑中需要的每一個(gè)基因，都編輯到藍藻中去。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用“基因剪刀”，把相關(guān)基因片段剪輯下來(lái)，再插入藍藻細胞的基因序列中，藍藻細胞就具備了合成這種物質(zhì)的能力。
這些改造過(guò)的藍藻細胞可快速繁殖，只要有空氣和陽(yáng)光，就能生產(chǎn)出葡萄糖、甘油、姜黃素、白藜蘆醇等各類(lèi)物質(zhì)。
世界上的微生物千千萬(wàn)萬(wàn)，為什么會(huì )想到改造藍藻？倪俊解釋?zhuān)小爸参镒嫦取敝Q(chēng)的單細胞生物藍藻，能表達幾乎所有植物源的基因，而且內部結構非常簡(jiǎn)單，便于改造，還可以直接利用太陽(yáng)能，驅動(dòng)二氧化碳來(lái)合成產(chǎn)物。
如今，藍藻“細胞工廠(chǎng)”已不再局限于實(shí)驗室，而是真正搬進(jìn)了工廠(chǎng)，產(chǎn)出了“香料之王”香蘭素、天然活性抗氧化成分白藜蘆醇、生物基可降解塑料聚乳酸……目前，倪俊團隊正在建設一條產(chǎn)量約10噸的規�；a(chǎn)線(xiàn)，用來(lái)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物。
未來(lái)我們吃的“肉”，可能是微生物造的
肉類(lèi)是我們獲取蛋白質(zhì)的主要來(lái)源之一，隨著(zhù)人口增長(cháng)、城市化進(jìn)程加快，全球植物蛋白和動(dòng)物蛋白人均需求量顯著(zhù)增長(cháng)。因此，人類(lèi)一直在尋找替代蛋白，以制造出健康又環(huán)保的“肉”。
目前替代蛋白主要有三類(lèi)：植物蛋白、細胞蛋白、發(fā)酵蛋白，其中發(fā)酵蛋白最具發(fā)展前景。
“發(fā)酵蛋白也叫微生物蛋白，是一種以葡萄糖、淀粉、糖蜜、合成氣、二氧化碳等為底物，在細胞工廠(chǎng)，利用微生物發(fā)酵方式生產(chǎn)的蛋白�！敝锌圃禾旖蚬I(yè)生物技術(shù)研究所李德茂研究員介紹，發(fā)酵蛋白中的蛋白含量高達40%—80%，且不含膽固醇，對心腦血管疾病患者更加友好。
利用發(fā)酵蛋白制作的雞肉，在口感、香味等方面的仿真度，可達85%左右。
“微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白的速度，是植物的500倍，是動(dòng)物的2000倍�！崩畹旅榻B，一畝大豆田每年可收獲約130千克大豆，獲得52千克植物蛋白。而利用100噸發(fā)酵罐進(jìn)行微生物發(fā)酵，一年能生產(chǎn)近100萬(wàn)千克發(fā)酵蛋白。
此外，發(fā)酵蛋白轉化率也較高。通過(guò)微生物發(fā)酵方式，利用1千克淀粉，可以生產(chǎn)出190—200克蛋白，然而用1千克淀粉喂養家禽、家畜，僅能分別生產(chǎn)出47克和14克蛋白。
相比而言，細胞蛋白生產(chǎn)雖不受原料限制，但培養條件苛刻，科研人員需要從動(dòng)物體內提取干細胞，并利用血清等多種營(yíng)養物質(zhì)“喂養”，使其不斷“成長(cháng)”，因此生產(chǎn)成本較高。
“目前，發(fā)酵蛋白也有應用于飼料和醫療領(lǐng)域的潛力�！崩畹旅榻B。國際上，發(fā)酵蛋白食品也層出不窮。英國一家公司利用發(fā)酵蛋白技術(shù)進(jìn)行食品開(kāi)發(fā)，先后上市了健身蛋白粉、發(fā)酵蛋白“肉”漢堡、香腸、肉卷等產(chǎn)品。
美國一家公司則利用微生物來(lái)制造乳清、酪蛋白等，模擬出真正的牛奶，并推出首款生物制乳蛋白冰淇淋。
“具有特殊功能的發(fā)酵蛋白，也可應用在醫療領(lǐng)域�！崩畹旅硎�，人們未來(lái)可以開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有特殊功能的發(fā)酵蛋白，例如富硒蛋白，可同時(shí)發(fā)揮蛋白和硒的功能作用。
新型酵母“細胞工廠(chǎng)”，有望取代傳統農藥和添加劑
“好一朵美麗的茉莉花，芬芳美麗滿(mǎn)枝椏”，這是許多人都熟悉的歌詞。這幾年茉莉備受人們喜愛(ài)，有商家將茉莉花串成手鏈，也有商家將茉莉花放入奶茶、豆漿中作為佐料。
如今，在中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院湯紅婷研究員手中，“茉莉”不再以花朵形式存在，而是以化合物和氣味的方式存在。
不久前，她和同事在釀酒酵母中，合成了植物激素“茉莉酸”，首次構建了可用于合成茉莉酸類(lèi)化合物的“酵母細胞工廠(chǎng)”。
眾所周知，酵母是一種微生物，它們喜歡吃糖和淀粉，通過(guò)發(fā)酵的方式，產(chǎn)生能量和乙醇。我們平時(shí)做面包、葡萄酒和啤酒都離不開(kāi)它們。
在湯紅婷的研究中，她將酵母作為一個(gè)理想底盤(pán)，來(lái)構建各種屬性的細胞工廠(chǎng)。比如，利用酵母的生物合成能力，將二氧化碳和纖維素等廉價(jià)碳源，轉化為高價(jià)值產(chǎn)物；利用酵母來(lái)生產(chǎn)重組蛋白，用于食品、能源、醫藥等領(lǐng)域。
正是在酵母的幫助下，湯紅婷和同事合成了茉莉酸等天然產(chǎn)物，也合成了糖類(lèi)化合物和乙醇等能源物質(zhì)。
茉莉酸是植物天然激素，很有潛力取代傳統農藥，通過(guò)調控植物的生長(cháng)和品質(zhì)，提高對病蟲(chóng)害的抵抗力，從而減少農藥的使用量。因此，茉莉酸類(lèi)化合物是“綠色農藥”的重要候選分子。
此外，憑借獨特的茉莉花香味，茉莉酸類(lèi)化合物還可作為香料，用于食品和化妝品中，增添迷人的花香。
隨著(zhù)合成生物技術(shù)不斷發(fā)展，未來(lái)利用酵母，可以高效合成茉莉酸類(lèi)化合物，并能實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)，從而帶來(lái)廣泛的應用前景。
湯紅婷表示，看似只是關(guān)于小小茉莉的成果，其實(shí)背后蘊含著(zhù)綠色生物制造的宏大命題。想實(shí)現“綠水青山”這一目標，綠色生物制造是其中一項重要路徑。
知多一點(diǎn)
“細胞工廠(chǎng)”破解白色污染難題
據統計，2015年至2023年，全球塑料產(chǎn)量從3.2億噸增至4.3億噸。2022年，我國廢塑料產(chǎn)量超6000萬(wàn)噸，其中僅1800萬(wàn)噸實(shí)現回收利用。隨著(zhù)我國《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規劃》的出臺，生物降解塑料，被視為解決白色污染的最新方案。生物降解塑料PBS，便是利用“細胞工廠(chǎng)”制造出來(lái)的成功代表�？茖W(xué)家以秸稈為原料，創(chuàng )建出大腸桿菌“細胞工廠(chǎng)”，進(jìn)而生產(chǎn)出“丁二酸”，可用于制造PBS。
天津工業(yè)生物所所長(cháng)馬延和介紹，這種方法讓生產(chǎn)丁二酸的成本大幅降低，二氧化碳排放量下降94%，使未來(lái)PBS生物塑料的大規模應用成為可能。清華大學(xué)科研人員則通過(guò)改造嗜鹽菌，讓其在餐廚廢棄物水解物中生長(cháng)，從而生產(chǎn)出生物降解塑料PHB，包括PHB在內的PHA，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能夠在有氧和無(wú)氧條件下實(shí)現生物降解，是可以完全降解的新型生物材料。目前，我國已走在全球PHA產(chǎn)業(yè)化的前列，規劃產(chǎn)能超過(guò)10萬(wàn)噸。這也為餐廚廢棄物資源化利用，提供了一個(gè)全新途徑。相比普通塑料動(dòng)輒上百年的降解周期，PHA制品進(jìn)入海洋后，約1—3年即可實(shí)現完全自然降解。同時(shí)，純PHA制品對海洋和陸地動(dòng)物無(wú)害，即使食用也沒(méi)有大的傷害。
來(lái)源：大眾日報
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