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万三|二氧化碳人工合成淀粉背后:合成生物学——构建未来的制造方式

来源:转载 作者:陕西省宝鸡市 人气:957 发布时间:2022-02-22 10:08:32
摘要: 有了合成生物学,科学家可以改造细菌自身的构造,创造出自然界根本不存在的生命,甚至让它与半导体等人造物质结合,精确生产出我们需要的东西。 合成生物学的思路是,先搞清楚植物怎么造出除虫菊酯的,再把植…

原标题:万三| 二氧化碳人工合成淀粉背后:合成生物学——构建未来的制造方式

【文/观察者网专栏作者 万三】

“细胞治疗做了这么多年,感觉要做不下去了,但有了合成生物学,感觉希望又来了”,中国科学技术大学生命科学学院教授田志刚如此感叹。

合成生物学,是一门运用基因操作工具等调节和改造生命行为,或再创生命形式的工程学科,它正在为诸多或迫在眉睫,或前景广阔的应用带来希望。

中国合成生物学最早发起人之一的赵国屏院士这样解释:合成生物学区别于其他传统生命科学(如基因科学、微生物学、生物化学等)的核心是其“工程学本质”——合成生物学最主要的任务,是要按人们的需求,设计出相应的“产品”。

就跟设计制造冰箱是为了制冷储存食物一样,人工合成生物,有着明确的目的与明确的产物。

举个例子,人们其实从几千年前就雇佣微生物给自己干活了,比如为让人们“痛快喝一杯”而默默耕耘的酿酒酵母。然而这种合作是偶然间达成的,长期以来人类只能通过偶然发现一个工作伙伴的形式,与微生物合作。喝完啤酒第二天人想喝酸奶了,酵母菌就没用,只能出门左拐找乳酸菌。第三天人类想要“酿”点别的东西,又得去亿万种细菌里大浪淘沙。这样的方式十分低效。

有了合成生物学,科学家可以改造细菌自身的构造,创造出自然界根本不存在的生命,甚至让它与半导体等人造物质结合,精确生产出我们需要的东西。

如今,合成生物学已经与纳米技术、机械工程、大数据、AI学习等多领域相结合,在制造业、医疗、能源、农业、消费品等领域落实应用。

一、助力农业发展

去年9月,中科院团队完成二氧化碳人工合成淀粉的重大突破,今后,费时费地的农业过程,可能会变成高效集中化的工业过程。

这背后,是合成生物学家十多年“设计-合成-测试-学习”的反复尝试。

诚然,用这种方法转换淀粉的成本尚不能与农业种植竞争,但合成生物学也已经在其他诸多方面协助农业生产。

微生物天然产出的一些物质可以作为农药,远比化学农药要高效安全、对环境友好,在植物病虫害防控及保护我国粮食安全领域具有不可或缺的战略地位。例如除虫菊酯就是菊科植物天然会产生的一类物质,它对蜜蜂、蝴蝶等农业益虫无毒,却能有效杀伤多种害虫。且对哺乳动物很友好,在环境中停留的时间也很短。

常规方法要获得除虫菊酯怎么办呢?种菊花呗,然后再想办法从植物内提取。下图就是漂漂亮亮的除虫菊:

但种菊花要时间,收割后萃取出想要的化学物质又要一阵折腾,所以产量不够大,成本也比较高。毕竟植物只是为了活下去,顺手产点除虫菊酯,不是为了给人类制造生物农药而生的,所以它体内的除虫菊酯含量也不高。

合成生物学的思路是,先搞清楚植物怎么造出除虫菊酯的,再把植物细胞中能够干活的“元件”流水线式组装入微生物细胞中,让能够大量繁殖养起来又便宜的细菌来当代工厂。等技术成熟后不怕不够用。

二、医疗新曙光

怎样将合成生物学技术转化到医疗应用上的研究,受到了科技界和医学界的广泛关注。

大家可还记得120万元/支的天价癌症药CAR-T?这种治疗癌症的技术从患者的血液中取出T-细胞,一顿量身定做的改造后,让它们学会识别并攻击患者体内的癌细胞。听着很美好,但它有使用范围限制和一旦发生了很麻烦的副作用:识别错了的话,会把自己人一顿猛殴。

而合成生物学有望让CAR-T细胞小分队自带逻辑线路,判断治疗过程中出现的变化,精准攻击的同时不要误伤无辜。

中国科学技术大学生命科学学院教授田志刚感叹:“细胞治疗做了这么多年,感觉要做不下去了,但有了合成生物学,感觉希望又来了。”

对付癌症,合成生物学的另一种思路是改造细菌。中国科学院深圳先进技术研究院团队就在将细菌成更具针对性、更智能、更高效的抗肿瘤“武器”。被改造过的细菌一方面能够“踢醒”人体自身的免疫细胞,让它们起床干活了,这里有癌症;另一方面能帮忙运送药物分子。目前,该团队改造的人工细菌已进入临床前研究阶段并取得理想疗效,有望成为全球首个用于治疗实体瘤的活体生物药物。

(工程细菌识别并作用于癌细胞的示意图,图源:genengnews.com)

基础诊疗方面,合成生物学也有用武之地。麻省理工学院合成生物小组的研究员把改造细菌植入可重复拉扯弯曲的水凝胶,能够黏附在人类皮肤表面。当这块生物材质接触到特定的物质后,植入的细菌因而受刺激而发光,提醒科学家有某种化学分子存在。该技术未来可能应用在防护手套上检测有毒物质、病原体、过敏源,甚至放在人的皮肤上作初步医疗诊断。

(有了这样的手套,以后再有刁民想毒死朕就没那么容易了!图源:MIT News)

医美是另一条当下颇具经济前景的赛道。能够以合成生物学技术量产的天然高分子材料PHA(聚羟基烷酸酯),正被市场视为轻医美的最佳选择。PHA降解周期小于6个月,在所有自然环境中都完全降解为水和二氧化碳。

PHA药物微纳载体的降解能力更缓慢,生物相容性更好,其降解速度比聚乳酸(PLA)慢,是众多生物可降解材料中较慢的一大类,正因其降解产物释放较缓慢,对人体环境刺激更小,将在医美填充物与护肤原料、手术缝线等应用场景中发挥作用。

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责任编辑:陕西省宝鸡市

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