經(jīng)緯科創(chuàng)匯合成生物學(xué)專場(chǎng)又與大家見面了，我們邀請(qǐng)到了學(xué)界與業(yè)界的資深專家，以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來進(jìn)行交流。

本篇是我們合成生物學(xué)系列的第4篇文章，訪談對(duì)象是清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)，陳教授長(zhǎng)期從事“微生物和生物材料”的研究，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表微生物技術(shù)和生物材料相關(guān)論文300多篇，開發(fā)的技術(shù)已經(jīng)在數(shù)家公司用于大規(guī)模生產(chǎn)微生物塑料聚羥基脂肪酸酯PHA。

我們與陳教授探討了合成生物學(xué)在發(fā)酵生產(chǎn)中的常見問題、如何選品，以及一些新的技術(shù)突破。如果你想更系統(tǒng)的了解合成生物學(xué)，請(qǐng)參考我們的往期文章：《用細(xì)菌生產(chǎn)一切，合成生物學(xué)的衰落與崛起》、《前沿技術(shù)探索：如何投資合成生物學(xué)》。以下，Enjoy：

如何突破大規(guī)模量產(chǎn)的問題？

如何選品？

最近有哪些里程碑式的技術(shù)突破？

合成生物學(xué)的當(dāng)下和未來

清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)教授

01 如何突破大規(guī)模量產(chǎn)的問題？

經(jīng)緯：合成生物學(xué)發(fā)展了很多年，相比于上一波企業(yè)的失敗案例，后來哪些環(huán)節(jié)的改進(jìn)，讓今天的合成生物學(xué)跟以前不一樣？

陳國(guó)強(qiáng)：首先得明確一下基因工程、代謝工程與合成生物學(xué)這些概念，我自己的理解是，基因工程一般是對(duì)一兩個(gè)基因進(jìn)行表達(dá)優(yōu)化，代謝工程是對(duì)整條代謝通路進(jìn)行優(yōu)化表達(dá)， 基因工程是點(diǎn)，代謝工程是線，合成生物學(xué)則是面，對(duì)多個(gè)方向進(jìn)行修改、優(yōu)化，當(dāng)然在面這個(gè)層面，修改的東西就多了。

在上一波案例里，前面的構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)-再設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是用合成生物學(xué)的方法在做，但最終需要通過發(fā)酵來大規(guī)模制造，不管終端產(chǎn)品是人造肉、藥物，還是化工品、護(hù)膚品，做這些小分子都需要通過發(fā)酵，在大規(guī)模制造的過程中就遇到了工藝放大的問題。

以前業(yè)界喜歡用大腸桿菌、羅氏桿菌、芽孢桿菌等容易操作的底盤菌去做，但在工藝放大的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到染菌問題。比如哪里漏了，或者過濾出了問題，外面的菌種就會(huì)進(jìn)來，污染整個(gè)體系，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率下降，甚至不得不倒罐。

我自己的創(chuàng)新就是用一個(gè)新的底盤細(xì)胞——嗜鹽菌。嗜鹽菌本身也需要做很多表達(dá)系統(tǒng)的改造，它的優(yōu)點(diǎn)是在大規(guī)模發(fā)酵時(shí)不會(huì)染菌。有了這個(gè)底盤菌，加上合成生物學(xué)的技術(shù)迭代，后續(xù)的其他環(huán)節(jié)會(huì)更加順利，這是非常重要的前提保證。

在學(xué)術(shù)界，很多突破是在上游，例如菌種設(shè)計(jì)和篩選。而對(duì)于發(fā)酵工藝環(huán)節(jié)，沒有獲得足夠重視。對(duì)于產(chǎn)業(yè)界，能否量產(chǎn)決定生死。發(fā)酵做不好，菌種再好最終還是會(huì)失敗。

菌株篩選是在很小規(guī)模的培養(yǎng)試管或平板里做，但量產(chǎn)就需要放大，從幾升放大到幾千升、幾萬升，再到幾十萬升，所以必須得踏踏實(shí)實(shí)做，一步一步來，沒有捷徑可走。

經(jīng)緯：我之前看到一些合成生物企業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)生物燃油中，最后的轉(zhuǎn)化率并不高，因?yàn)閷?duì)壓力、溫度都很難精確控制，以及過程中產(chǎn)生了很多乙醇，但是又沒有辦法及時(shí)排出去，這些因素的疊加讓很多菌死亡了。這些方面的控制不力，是這些合成生物企業(yè)當(dāng)初失敗的重要原因。您怎么看待這里面的失敗經(jīng)驗(yàn)？這些生產(chǎn)瓶頸現(xiàn)在能得到解決嗎？

陳國(guó)強(qiáng)：你說得對(duì)，一些合成生物企業(yè)在上游的菌種篩選方面，都做得非常好，有高通量的篩選方法，但是必須要在小試、中試到大規(guī)模生產(chǎn)這方面下功夫。要想最終成功，沒有多年的積累，包括不同規(guī)模的工藝優(yōu)化，一切都不太行，過程放大不會(huì)一蹴而就。

這方面需要經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)于新菌種、新底盤、新產(chǎn)品，需要去研究他們的特性，因?yàn)橐坏┓糯笊a(chǎn)，對(duì)壓力、溫度等等各種精細(xì)的調(diào)控，難度系數(shù)會(huì)成倍數(shù)增加。當(dāng)然，如果用一些更合適的底盤菌，比如后續(xù)不需要滅菌操作的嗜鹽菌，會(huì)容易很多減少不少困難。我們現(xiàn)在用嗜鹽菌除了生產(chǎn)材料之外，也可以做其他小分子產(chǎn)物，我覺得這會(huì)給發(fā)酵工藝帶來一場(chǎng)革命。

經(jīng)緯：您除了在學(xué)術(shù)界，也一直有參與產(chǎn)業(yè)界，您在大規(guī)模生產(chǎn)中有沒有踩過什么坑？

陳國(guó)強(qiáng)：當(dāng)然有的。我做了幾十年可降解塑料PHA，經(jīng)歷過很多。我們以前在實(shí)驗(yàn)室做的時(shí)候，最初各方面指標(biāo)都很漂亮，就是成本還有點(diǎn)高，期望能通過規(guī)?；a(chǎn)來降低成本。

我們也找了一些工廠合作，規(guī)模很快上去。但在放大生產(chǎn)的過程中，因?yàn)槲⑸锏拿芏茸兏?，也需要配套采用一些特殊技術(shù)，以及控制發(fā)酵溫度、時(shí)間、溶氧和雜菌污染等等。此時(shí)，微生物密度高就帶來了幾個(gè)問題，包括培養(yǎng)時(shí)間變長(zhǎng)、染菌的幾率變大等等。染菌是比較麻煩的，因?yàn)樾枰罅渴褂每諝?，過濾系統(tǒng)就會(huì)壓力很大，可能有一些外界的微生物跑進(jìn)整個(gè)罐內(nèi)體系里，引起染菌。

我們當(dāng)年嘗試過模擬的方法，但在實(shí)驗(yàn)室其實(shí)很難模擬出真正的工業(yè)環(huán)境。我們?cè)诠I(yè)上操作嗜鹽菌有8年了，發(fā)現(xiàn)了各種各樣的問題，每一次都要跑回實(shí)驗(yàn)室來優(yōu)化微生物的基因回路，以及對(duì)代謝通路進(jìn)行改造，最終才有可能成功，很難越過這么一個(gè)反復(fù)優(yōu)化的過程。另外還有對(duì)技術(shù)人員的培養(yǎng)，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)需要有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的工程師?？傊蚁霃?qiáng)調(diào)的是，任何一個(gè)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)界，一定是需要有五年、十年，甚至十五年的周期來發(fā)展，不可能一蹴而就。

微構(gòu)工場(chǎng)PHA產(chǎn)品

02 如何選品？

經(jīng)緯：我們剛剛一直在聊工業(yè)級(jí)別的生產(chǎn)，那在選品層面，您覺得需要考慮哪些因素？

陳國(guó)強(qiáng)：選品的確是非常重要的。一些發(fā)酵生產(chǎn)的傳統(tǒng)產(chǎn)品，例如氨基酸、抗生素、維他命，國(guó)內(nèi)已經(jīng)做到爐火純青了，廠家特別多，產(chǎn)量也特別高。所以如果你的選品是在已經(jīng)成熟的市場(chǎng)，市場(chǎng)大競(jìng)爭(zhēng)者多，那就非常不容易，需要有特別大的技術(shù)突破。

在化工領(lǐng)域，替代機(jī)會(huì)比較多，例如我們?cè)谧龅纳锟山到獠牧?，也是用合成生物學(xué)的方法來做，沒有有機(jī)溶劑、沒有高溫高壓，整個(gè)過程只需要非常溫和的條件。但因?yàn)楦泳G色、嗜鹽菌技術(shù)為基礎(chǔ)的下一代工業(yè)生物技術(shù)，制造成本也不太高，應(yīng)用前景比較廣闊。

如果能研發(fā)出新產(chǎn)品，比如大麻二酚這些可以藥用的產(chǎn)品，原來市場(chǎng)里產(chǎn)量特別少，附加值特別高，處理好監(jiān)管問題，就大概率有很好的前景。

總體來說，選品思路就是兩種，一種是選單品價(jià)格高，目前市場(chǎng)規(guī)模小一些；另一種是選單品價(jià)格低，但是整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模非常大，需求很高的。用新的技術(shù)突破，去替代或是與傳統(tǒng)化工方法更高效地結(jié)合。

經(jīng)緯：您做的生物可降解PHA材料，它在未來能夠替代市面上從塑料袋到一次性飯盒，以及包裝袋等等，您當(dāng)初做PHA的思路是什么？

陳國(guó)強(qiáng)：生物可降解材料里，一直有幾個(gè)參與者，除了PHA還有PBAT、PLA，它們也都有對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)。PHA可以和PBAT、PLA互補(bǔ)，比如PBAT是當(dāng)下量特別多的材料，但降解比較慢一點(diǎn)，如果能加一些PHA，降解就能更快。PLA的性能比較剛，如果加了PHA能讓它更有彈性，用途也會(huì)更廣。所以這些材料是互補(bǔ)的，如果未來能通過大規(guī)模制造來降低成本，令普及率變高，對(duì)環(huán)保也是很好的。

PHA現(xiàn)在的問題是，碳轉(zhuǎn)化率還有點(diǎn)低，所以制造成本比較高?，F(xiàn)在我們通過合成生物學(xué)的辦法，試圖提高PHA的轉(zhuǎn)化率，包括嘗試把二氧化碳固定下來轉(zhuǎn)化為PHA等等。我們希望未來能把PHA的成本，降低到和PBAT、PLA一樣的水平，這個(gè)材料才能真正發(fā)揮出市場(chǎng)和應(yīng)用潛力。

在生產(chǎn)層面，PHA的整個(gè)制造過程是在水里進(jìn)行的，不需要高溫、高壓，這個(gè)過程對(duì)環(huán)境也很友好，它甚至可能是未來制造的一種模式，會(huì)有很大的促進(jìn)作用。

微構(gòu)工場(chǎng)核心產(chǎn)品與應(yīng)用

經(jīng)緯：之前投資圈有一種分類，把一些用傳統(tǒng)辦法篩選菌株的合成生物學(xué)公司，歸為第一代公司（例如凱賽華恒），把用計(jì)算機(jī)算法等自動(dòng)化方法篩選菌株的，列為第二代公司（例如Zymergen、Ginkgo），他們可以更大規(guī)模和探索新菌株，這種觀點(diǎn)會(huì)認(rèn)為更大的前景在第二代公司，您怎么看？

陳國(guó)強(qiáng)：這些平臺(tái)公司提供了一個(gè)高通量篩選的平臺(tái)，包括有些產(chǎn)品很難用肉眼分辨，要用紫外線或是一些射線來分辨。有了這種自動(dòng)化平臺(tái)，可以快速檢測(cè)出微生物產(chǎn)生的產(chǎn)物，這些自動(dòng)化設(shè)備可以做到每天篩選百萬級(jí)。

但像我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里做，因?yàn)闆]有那么多的錢和人，我們采用另外一種方式——壓力篩選。例如當(dāng)需要篩選一些嗜鹽菌，我們一般是采用一個(gè)壓力，比如把鹽的濃度降到與一般的培養(yǎng)基一樣，讓微生物在合適的低鹽環(huán)境里篩選，最后通過自然進(jìn)化也能成功，有時(shí)候的效率甚至比平臺(tái)還高，因?yàn)樗吹靡姡胰菀卓刂坪Y選的壓力。比如通過十克每升的鹽做一個(gè)篩選，海水一般是30-60克每升的鹽，一個(gè)搖瓶做下來篩選十億個(gè)，可能就只有一個(gè)活下來，但這個(gè)篩選效率已經(jīng)挺高的，時(shí)間周期也不長(zhǎng)。

經(jīng)緯：從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最新的技術(shù)進(jìn)展來看，您覺得哪些核心突破，能帶動(dòng)整個(gè)合成生物學(xué)進(jìn)入到下一個(gè)階段？

陳國(guó)強(qiáng)：我覺得有幾方面。最容易的可能就是在微生物生物制造這塊，因?yàn)閷?duì)微生物進(jìn)行基因操作是很快的，資金到位的話，比植物、動(dòng)物來得快很多，也沒有太多倫理問題。特別是在微生物發(fā)酵生產(chǎn)新材料這一塊，一些小分子化學(xué)品、高分子、中間體等等，會(huì)有比較大的發(fā)展。像凱賽在做的戊二胺，它是一種尼龍的中間體，需求量比較大，附加值也不低，潛力很大。

在藥物方面，因?yàn)閷徟^程比較久，除非是像新冠疫苗這樣的特殊情況，可以快速上臨床。而其他的動(dòng)物、植物相關(guān)領(lǐng)域，要真正落地到產(chǎn)業(yè)界，需要的時(shí)間會(huì)比較久。

03 最近有哪些里程碑式的技術(shù)突破？

經(jīng)緯：從技術(shù)角度來看，您覺得最近3年多的維度內(nèi)，合成生物學(xué)有哪些里程碑式的技術(shù)突破？例如很多年前像CRISPR Cas9算是里程碑式的突破。

陳國(guó)強(qiáng)：令我記憶深刻的有幾例。第一個(gè)是中科院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所覃重軍課題組，他們把酵母的16條染色體合成一條，這個(gè)酵母還能活著，這也是人類首次通過實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)地、大規(guī)模地改造一個(gè)物種的染色體數(shù)目。

酵母是一個(gè)天然的生命體，基因一生出來就是16條，但是現(xiàn)在通過技術(shù)變成了1條，并且還活得好好的。在動(dòng)物身上，未來是否會(huì)有相關(guān)的改造？比如目前肉類的轉(zhuǎn)化率中，雞肉是最高的，那可不可以通過基因編輯，讓牛肉的轉(zhuǎn)化率也變高，是不是就解決了未來肉類供應(yīng)不足的問題，當(dāng)然這里面涉及復(fù)雜的倫理問題。

酵母染色體融合的策略

以及對(duì)于一些珍稀的動(dòng)物，比如說熊貓繁殖得慢，是不是可以通過基因編輯的方法，讓它更容易成長(zhǎng)，這些在未來都是可以憧憬的。

未來的植物，比如說水稻在東南亞可以收3-4個(gè)季，但在中國(guó)最多兩季，是不是通過基因編輯方法，使水稻可以收4個(gè)季，那么糧食問題就容易解決了。

甚至更進(jìn)一步是人的壽命，受端粒酶控制。那如果對(duì)端粒酶縮短的過程進(jìn)行調(diào)控，人的壽命是不是可以延長(zhǎng)，這些都是基因編輯可以想象的目標(biāo)。

第二個(gè)技術(shù)突破是中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，他們用二氧化碳與氫氣先合成甲醇，然后用從甲醇出發(fā)體外合成淀粉，并且重新設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化路徑，只需要11步。這里面也用到了合成生物學(xué)的辦法，體外設(shè)計(jì)和構(gòu)建酶的轉(zhuǎn)化路徑。

大致可以分為四個(gè)模塊，首先把二氧化碳和氫氣用無機(jī)催化劑還原為甲醇，然后將還原的甲醇轉(zhuǎn)換成為三碳，然后將三碳合成六碳，最后再將六碳聚合成為淀粉。從甲醇到淀粉的過程，是多步的體外合成過程，令人印象深刻。

第三個(gè)突破，像我們?cè)谧龅挠檬塞}菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)底盤細(xì)胞，使整個(gè)微生物發(fā)酵中不會(huì)染菌，在未來可能對(duì)工業(yè)生物技術(shù)會(huì)有一個(gè)比較大的影響，會(huì)讓發(fā)酵變得更加簡(jiǎn)單，放大生產(chǎn)也少了很多風(fēng)險(xiǎn)，我認(rèn)為也是重大突破之一。

還有一些新技術(shù)也是令人印象深刻的。例如中科院深圳先進(jìn)院和天津大學(xué)的一個(gè)合作課題，他們把DNA拿去做信息儲(chǔ)存。如果未來能夠把成本降低，這將是更加有效的儲(chǔ)存手段。以及中科院先進(jìn)院用模型來預(yù)測(cè)微生物的生長(zhǎng)方式，這種理論方面的突破，也是令人印象深刻的。

04 合成生物學(xué)的當(dāng)下和未來

經(jīng)緯：從國(guó)家戰(zhàn)略的角度來說，無論是中國(guó)還是美國(guó)，都把合成生物學(xué)提到很高的戰(zhàn)略地位。您覺得未來1-3年，有哪些方面的進(jìn)展能令合成生物學(xué)再上一個(gè)臺(tái)階？

陳國(guó)強(qiáng)：我們國(guó)家在生物學(xué)方面培養(yǎng)了很多學(xué)生，但生物這一行是見效比較慢的，因?yàn)樯镉泻芏嚯S機(jī)的東西，最終很多人并沒有從事生命科學(xué)。但我們國(guó)家在人才儲(chǔ)備方面，其實(shí)是充足的，現(xiàn)在很多創(chuàng)業(yè)公司出現(xiàn)，投資基金也進(jìn)來了，要想發(fā)展起來也是會(huì)挺快的，再過五年、十年，中國(guó)在各個(gè)生物制造領(lǐng)域，會(huì)達(dá)到世界一流水平。

如今的一些新建設(shè)，例如深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的合成生物學(xué)大基礎(chǔ)設(shè)施就非常好，它給全國(guó)的從業(yè)者提供了一個(gè)平臺(tái)，為全行業(yè)節(jié)省了時(shí)間和資金，它對(duì)未來國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)的發(fā)展應(yīng)該非常有幫助。

未來非常重要的一點(diǎn)是，在某個(gè)大眾領(lǐng)域出現(xiàn)新的爆款產(chǎn)品，它能使家家戶戶都切實(shí)感覺到，合成生物學(xué)在解決大眾的問題。當(dāng)然現(xiàn)在大家很熟悉的氨基酸、維他命、抗生素，很多都是這樣生產(chǎn)出來的，但大家可能不太有感覺。未來在新材料這一塊，當(dāng)大家看到合成生物學(xué)做出了非常實(shí)用的新材料，可能會(huì)讓大家有感覺。無論是通過PHA材料來解決白色污染問題，還是未來通過基因編輯植物或者動(dòng)物來解決糧食和蛋白的缺口，以及藥物的微生物生產(chǎn)，特別是mRNA疫苗，合成生物學(xué)會(huì)有越來越高的社會(huì)影響力。

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