經緯科創(chuàng)匯合成生物學專場又與大家見面了，我們邀請到了學界與業(yè)界的資深專家，以及行業(yè)投資人與創(chuàng)業(yè)者來進行交流。

本篇是我們合成生物學系列的第4篇文章，訪談對象是清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強，陳教授長期從事“微生物和生物材料”的研究，在國際學術期刊上共發(fā)表微生物技術和生物材料相關論文300多篇，開發(fā)的技術已經在數(shù)家公司用于大規(guī)模生產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在發(fā)酵生產中的常見問題、如何選品，以及一些新的技術突破。如果你想更系統(tǒng)的了解合成生物學，請參考我們的往期文章：《用細菌生產一切，合成生物學的衰落與崛起》、《前沿技術探索：如何投資合成生物學》。以下，Enjoy：

如何突破大規(guī)模量產的問題？

如何選品？

最近有哪些里程碑式的技術突破？

合成生物學的當下和未來

清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強教授

01 如何突破大規(guī)模量產的問題？

經緯：合成生物學發(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，讓今天的合成生物學跟以前不一樣？

陳國強：首先得明確一下基因工程、代謝工程與合成生物學這些概念，我自己的理解是，基因工程一般是對一兩個基因進行表達優(yōu)化，代謝工程是對整條代謝通路進行優(yōu)化表達， 基因工程是點，代謝工程是線，合成生物學則是面，對多個方向進行修改、優(yōu)化，當然在面這個層面，修改的東西就多了。

在上一波案例里，前面的構建-測試-學習-再設計環(huán)節(jié)，是用合成生物學的方法在做，但最終需要通過發(fā)酵來大規(guī)模制造，不管終端產品是人造肉、藥物，還是化工品、護膚品，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，經常會遇到染菌問題。比如哪里漏了，或者過濾出了問題，外面的菌種就會進來，污染整個體系，最終導致轉化效率下降，甚至不得不倒罐。

我自己的創(chuàng)新就是用一個新的底盤細胞——嗜鹽菌。嗜鹽菌本身也需要做很多表達系統(tǒng)的改造，它的優(yōu)點是在大規(guī)模發(fā)酵時不會染菌。有了這個底盤菌，加上合成生物學的技術迭代，后續(xù)的其他環(huán)節(jié)會更加順利，這是非常重要的前提保證。

在學術界，很多突破是在上游，例如菌種設計和篩選。而對于發(fā)酵工藝環(huán)節(jié)，沒有獲得足夠重視。對于產業(yè)界，能否量產決定生死。發(fā)酵做不好，菌種再好最終還是會失敗。

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，所以必須得踏踏實實做，一步一步來，沒有捷徑可走。

經緯：我之前看到一些合成生物企業(yè)在大規(guī)模生產生物燃油中，最后的轉化率并不高，因為對壓力、溫度都很難精確控制，以及過程中產生了很多乙醇，但是又沒有辦法及時排出去，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)當初失敗的重要原因。您怎么看待這里面的失敗經驗？這些生產瓶頸現(xiàn)在能得到解決嗎？

陳國強：你說得對，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，過程放大不會一蹴而就。

這方面需要經驗積累，對于新菌種、新底盤、新產品，需要去研究他們的特性，因為一旦放大生產，對壓力、溫度等等各種精細的調控，難度系數(shù)會成倍數(shù)增加。當然，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，會容易很多減少不少困難。我們現(xiàn)在用嗜鹽菌除了生產材料之外，也可以做其他小分子產物，我覺得這會給發(fā)酵工藝帶來一場革命。

經緯：您除了在學術界，也一直有參與產業(yè)界，您在大規(guī)模生產中有沒有踩過什么坑？

陳國強：當然有的。我做了幾十年可降解塑料PHA，經歷過很多。我們以前在實驗室做的時候，最初各方面指標都很漂亮，就是成本還有點高，期望能通過規(guī)?；a來降低成本。

我們也找了一些工廠合作，規(guī)模很快上去。但在放大生產的過程中，因為微生物的密度變高，也需要配套采用一些特殊技術，以及控制發(fā)酵溫度、時間、溶氧和雜菌污染等等。此時，微生物密度高就帶來了幾個問題，包括培養(yǎng)時間變長、染菌的幾率變大等等。染菌是比較麻煩的，因為需要大量使用空氣，過濾系統(tǒng)就會壓力很大，可能有一些外界的微生物跑進整個罐內體系里，引起染菌。

我們當年嘗試過模擬的方法，但在實驗室其實很難模擬出真正的工業(yè)環(huán)境。我們在工業(yè)上操作嗜鹽菌有8年了，發(fā)現(xiàn)了各種各樣的問題，每一次都要跑回實驗室來優(yōu)化微生物的基因回路，以及對代謝通路進行改造，最終才有可能成功，很難越過這么一個反復優(yōu)化的過程。另外還有對技術人員的培養(yǎng)，從實驗室到工業(yè)需要有實戰(zhàn)經驗的工程師。總之我想強調的是，任何一個新技術從實驗室走向產業(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。

微構工場PHA產品

02 如何選品？

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

陳國強：選品的確是非常重要的。一些發(fā)酵生產的傳統(tǒng)產品，例如氨基酸、抗生素、維他命，國內已經做到爐火純青了，廠家特別多，產量也特別高。所以如果你的選品是在已經成熟的市場，市場大競爭者多，那就非常不容易，需要有特別大的技術突破。

在化工領域，替代機會比較多，例如我們在做的生物可降解材料，也是用合成生物學的方法來做，沒有有機溶劑、沒有高溫高壓，整個過程只需要非常溫和的條件。但因為更加綠色、嗜鹽菌技術為基礎的下一代工業(yè)生物技術，制造成本也不太高，應用前景比較廣闊。

如果能研發(fā)出新產品，比如大麻二酚這些可以藥用的產品，原來市場里產量特別少，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，一種是選單品價格高，目前市場規(guī)模小一些；另一種是選單品價格低，但是整個市場規(guī)模非常大，需求很高的。用新的技術突破，去替代或是與傳統(tǒng)化工方法更高效地結合。

經緯：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，您當初做PHA的思路是什么？

陳國強：生物可降解材料里，一直有幾個參與者，除了PHA還有PBAT、PLA，它們也都有對應的市場。PHA可以和PBAT、PLA互補，比如PBAT是當下量特別多的材料，但降解比較慢一點，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，用途也會更廣。所以這些材料是互補的，如果未來能通過大規(guī)模制造來降低成本，令普及率變高，對環(huán)保也是很好的。

PHA現(xiàn)在的問題是，碳轉化率還有點低，所以制造成本比較高?，F(xiàn)在我們通過合成生物學的辦法，試圖提高PHA的轉化率，包括嘗試把二氧化碳固定下來轉化為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，這個材料才能真正發(fā)揮出市場和應用潛力。

在生產層面，PHA的整個制造過程是在水里進行的，不需要高溫、高壓，這個過程對環(huán)境也很友好，它甚至可能是未來制造的一種模式，會有很大的促進作用。

微構工場核心產品與應用

經緯：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公司，歸為第一代公司（例如凱賽華恒），把用計算機算法等自動化方法篩選菌株的，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，這種觀點會認為更大的前景在第二代公司，您怎么看？

陳國強：這些平臺公司提供了一個高通量篩選的平臺，包括有些產品很難用肉眼分辨，要用紫外線或是一些射線來分辨。有了這種自動化平臺，可以快速檢測出微生物產生的產物，這些自動化設備可以做到每天篩選百萬級。

但像我們在實驗室里做，因為沒有那么多的錢和人，我們采用另外一種方式——壓力篩選。例如當需要篩選一些嗜鹽菌，我們一般是采用一個壓力，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，最后通過自然進化也能成功，有時候的效率甚至比平臺還高，因為它看得見，且容易控制篩選的壓力。比如通過十克每升的鹽做一個篩選，海水一般是30-60克每升的鹽，一個搖瓶做下來篩選十億個，可能就只有一個活下來，但這個篩選效率已經挺高的，時間周期也不長。

經緯：從當前國內外最新的技術進展來看，您覺得哪些核心突破，能帶動整個合成生物學進入到下一個階段？

陳國強：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，因為對微生物進行基因操作是很快的，資金到位的話，比植物、動物來得快很多，也沒有太多倫理問題。特別是在微生物發(fā)酵生產新材料這一塊，一些小分子化學品、高分子、中間體等等，會有比較大的發(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，因為審批過程比較久，除非是像新冠疫苗這樣的特殊情況，可以快速上臨床。而其他的動物、植物相關領域，要真正落地到產業(yè)界，需要的時間會比較久。

03 最近有哪些里程碑式的技術突破？

經緯：從技術角度來看，您覺得最近3年多的維度內，合成生物學有哪些里程碑式的技術突破？例如很多年前像CRISPR Cas9算是里程碑式的突破。

陳國強：令我記憶深刻的有幾例。第一個是中科院上海生命科學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，這個酵母還能活著，這也是人類首次通過實驗手段，系統(tǒng)地、大規(guī)模地改造一個物種的染色體數(shù)目。

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

酵母染色體融合的策略

以及對于一些珍稀的動物，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，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個季，但在中國最多兩季，是不是通過基因編輯方法，使水稻可以收4個季，那么糧食問題就容易解決了。

甚至更進一步是人的壽命，受端粒酶控制。那如果對端粒酶縮短的過程進行調控，人的壽命是不是可以延長，這些都是基因編輯可以想象的目標。

第二個技術突破是中科院天津工業(yè)生物技術研究所，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，并且重新設計了轉化路徑，只需要11步。這里面也用到了合成生物學的辦法，體外設計和構建酶的轉化路徑。

大致可以分為四個模塊，首先把二氧化碳和氫氣用無機催化劑還原為甲醇，然后將還原的甲醇轉換成為三碳，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。

第三個突破，像我們在做的用嗜鹽菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)底盤細胞，使整個微生物發(fā)酵中不會染菌，在未來可能對工業(yè)生物技術會有一個比較大的影響，會讓發(fā)酵變得更加簡單，放大生產也少了很多風險，我認為也是重大突破之一。

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

04 合成生物學的當下和未來

經緯：從國家戰(zhàn)略的角度來說，無論是中國還是美國，都把合成生物學提到很高的戰(zhàn)略地位。您覺得未來1-3年，有哪些方面的進展能令合成生物學再上一個臺階？

陳國強：我們國家在生物學方面培養(yǎng)了很多學生，但生物這一行是見效比較慢的，因為生命里有很多隨機的東西，最終很多人并沒有從事生命科學。但我們國家在人才儲備方面，其實是充足的，現(xiàn)在很多創(chuàng)業(yè)公司出現(xiàn)，投資基金也進來了，要想發(fā)展起來也是會挺快的，再過五年、十年，中國在各個生物制造領域，會達到世界一流水平。

如今的一些新建設，例如深圳先進技術研究院的合成生物學大基礎設施就非常好，它給全國的從業(yè)者提供了一個平臺，為全行業(yè)節(jié)省了時間和資金，它對未來國內合成生物學的發(fā)展應該非常有幫助。

未來非常重要的一點是，在某個大眾領域出現(xiàn)新的爆款產品，它能使家家戶戶都切實感覺到，合成生物學在解決大眾的問題。當然現(xiàn)在大家很熟悉的氨基酸、維他命、抗生素，很多都是這樣生產出來的，但大家可能不太有感覺。未來在新材料這一塊，當大家看到合成生物學做出了非常實用的新材料，可能會讓大家有感覺。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物來解決糧食和蛋白的缺口，以及藥物的微生物生產，特別是mRNA疫苗，合成生物學會有越來越高的社會影響力。

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