本文来自微信公众号：生辉SynBio（ID：SciPhi_SynBio），作者：LAVA，头图：Pixabay。

继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后，合成生物学有望掀起第三次生物技术革命，将向农业、医药、健康及环境等领域不断深入发展。

近两年来，这一学科也引起了学术界和产业界的众多关注。据CB Insights统计，2021年，全球合成生物初创企业融资达180亿美元，一年的融资额接近此前12 年间（2009年至2020年）获得的所有投资金额，并有望在今年再创新高。

仅在上半年，就有众多合成生物学初创企业完成了融资，如昌进生物、百福安、微元合成生物、衍微科技和微构工场等。但其实合成生物学产品真正走向产业化仍需兼顾上游、中游和下游等过程。

诸多学者也对此发表了自己的看法。以下是生辉SynBio（Q）与中国科学院李寅（A）的对话。

合成生物产业正处于布局发展阶段

Q：您从什么时候开始接触合成生物学的？

A：我的研究方向是代谢工程，本身就是合成生物学的一个重要领域，也是合成生物学最接近产业的一个领域。

系统接触合成生物学，应该回溯到2010年5月，Craig Venter 在Science 上报道了首例具有人工合成DNA的细胞“Synthia”，我参与高福老师及其研究生孙明伟撰写的一篇文章 “从人类基因组到人造生命：克雷格文特尔领路生命科学”，发表在《生物工程学报》2010年第6期。

（来源：生物工程学报）

随后，在中国科协的支持下，杨焕明、高福老师与我在苏州组织召开了一次“合成生物学的伦理问题与生物安全”学术沙龙。这次活动主要讨论了四个问题，包括：合成生物学应该研究什么？我国应当怎样更好发展合成生物学？发展合成生物学存在哪些伦理问题，应当怎样去规范？ 在合成生物学的发展过程中，媒体、大众和政府的角色是什么？

在杨胜利、曹竹安、赵国屏、张先恩等多位老师的推动下，合成生物学研究逐渐受到重视。2010年12月，由马延和老师担任首席科学家的973 计划重大科学问题导向项目 “人工合成细胞工厂” 启动，这是我国合成生物学领域布局的第一个重大项目，我也参与做了一些工作。

Q：据了解，您曾在大学和科研院校就职，您觉得在这两者工作有何差异？各给您带来了怎样的启发？

A：中国的大学和科研院所都是推动合成生物学研究的重要力量。如果科研机构具有组织力、协调力，则更容易开展一些更基础、更系统、难度更大的科研和研发。

近期，由于产业资本和社会资本对合成生物学的关注，合成生物领域的企业研发中心和初创公司如雨后春笋般出现，在研发上形成了“高校-科研院所-企业”三驾马车并驾齐驱的态势，这有助于形成政府-科研-产业-资本的合力。

目前，合成生物学产业正处于布局发展阶段，产业生态尚未形成。需要有真正创新体制机制，贯通资本、知识、科学、技术和产业的新型研发机构，来助力合成生物产业的发展。

已构建 “最简酶促合成碳固定循环”

Q：我们关注到您在人工固碳方面有很大进展（创建最小化的人工固碳循环），您当时选择此研究的思路是什么？

A：我们从2009年开始从事二氧化碳的生物转化研究。从天然光合生物的代谢途径改造，到新型固碳酶的发掘和改造，再到人工固碳途径的设计合成，我们对这个方向的认识不断深入，思路也在不断调整和转变。

已知天然固碳途径一般都要十步反应以上。我们研究的出发点很简单：能不能减少一些反应步骤？最后，肖璐博士做成的POAP循环，只用四步反应就实现了人工生物固碳，反应步骤接近理论最少极限，被张先恩老师近期的文章《世界生命科学格局中的中国》点评为 “最简酶促合成碳固定循环”。

POAP 循环（来源：论文）

Q：您怎么看待近一年来我国科学家在人工固碳方面取得的一些研究进展（二氧化碳合成淀粉，二氧化碳合成脂肪酸和葡萄糖的脂肪酸）？您觉得合成生物学的出现给人工固碳带来了哪些突破？

A：在“碳达峰、碳中和”的国家战略下，我国科学家近年来在化学法、生物法、化学-生物法实现二氧化碳的转化利用方面都取得了很大进展。

马延和老师领导完成的人工合成淀粉工作，其重要性不仅仅是科学上的创新，更重要的是同时瞄准“碳中和”与“粮食安全”的重大问题，孕育着可预见的丰富应用场景和巨大的产业机遇，是一项同时具有“大、实、新”特点的“0到1”科技突破，意义重大。

这一重大突破，本质上是创建了一种新的能量利用方式，利用尽可能高效的能量输入，和尽可能少的反应步骤，将二氧化碳转化为长碳链有机物质。

究其根本，是人类一直在努力改变对传统能源和资源的利用方式和水平，不断突破自然界已有的物质和能量转化路径和效率。这类突破在人类历史上不断出现，带动人类文明不断向前发展。

近期的二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸成果，以及未来可能出现的类似研究成果，都可归结于此。

这些0到1的优秀科研成果如何转化为生产力，实现1到100的社会价值，将更有意义，也非常值得期待。

技术驱动 VS 市场驱动

Q：请问您之前有没有一些技术转化案例？如有的话，在产业化之路是否有遇到一些困难又是如何解决的？

A：生物技术以创新产品为导向，实现技术的产业价值是很多研究人员的目标。我们也与很多国内外企业开展过合作，通过对生产菌种或酶进行改造优化，在工厂原有设备、工艺条件下提升产能和效率，为企业带来效益。

新酶、新菌种从实验室走向工厂的过程中，会遇到一些和实验室条件下很不一样的挑战。企业工程技术团队能力越强，新技术就越容易实现产业化。同样，研发人员越了解产业化过程中的约束条件，就越有利于在实验室做出符合产业需要的技术。

Q：您觉得合成生物学在选品层面，还需要考虑哪些因素？除了选品，合成生物学走向市场需要还需要解决哪些问题？

A：最近大家讨论很多选品的问题。选品主要是两个方向：一是有现成市场，能不能以更低的成本做出来。二是没有现成市场，能否低成本做出来，并创造市场。这两个方向，从根本上说是市场驱动还是技术驱动的问题。

从长远看，通过新技术、新产品来创造新的需求，更有想象力和发展空间，当然难度也更大，其中涉及监管审批方面的问题，需要政府部门更多的支持。

以中国科学院天津工业生物技术研究所的张学礼博士和中国科学院微生物研究所的陶勇博士为代表的一批科学家，在这两个方向上都做出了示范性的贡献，推动了相关产业的发展。

新技术、新产品在实现产业化、创造新市场的道路上肯定会遇到各种困难，会遇到技术、市场、资金等各方面的风险，这些风险主要都是企业家在承担。实验室的科研可以在近乎理想的状态下进行，但技术的商业化就需要考虑很多边界条件的约束。

因此，企业家的视野、格局、胸怀以及对创新的追求，决定了新技术产业化的速度。在合成生物制造领域，我们已经看到数位具有这样特质的企业家， 他 / 她们对合成生物科技创新的热情，令人尊敬。

一个产品从实验室走向市场，资金、技术、市场、时机，缺一不可。在这个过程中，技术是关键因素，但不是成功的唯一要素。生物制造产业要发展成为国民经济的支柱产业，还有几方面的问题需要解决。

一是生物制造产业规模不小，但满足替代性需求的企业较多，真正能做出划时代创新产品的企业，其出现可能还需要等待。

二是相对于石化制造，目前生物制造的产业链较短。生物制造企业多数是2B的，2C的很少，对经济和市场的影响力仍十分有限。

三是支撑产业链发展的内容生产、价值增值等服务业态，在生物制造产业领域基本还没有成形，阻碍了公众对生物制造的理解，间接也导致了2C的门槛。

历史始终是最好的老师。回望信息产业的发展可以发现，当年IBM 这类公司，愿意把计算设备从专用转化成民用，然后才有了软件行业的兴起，才有了今天基于 APP的服务行业的繁荣。

为生物制造产业找到一种合理的2C的硬件平台，加速发展生物制造软件（酶和菌种）的规模化定制，把内容生产同样作为企业的重要产品，对生物制造产业的跨越发展至关重要。

Q：您觉得最近几年，中国合成生物学领域最大的变化是什么？从技术角度看，合成生物学有哪些里程碑式的突破？

A：近年来中国合成生物学领域的发展，主要得益于在国家和地方支持下，布局建设了一批科技平台，如中国科学院天津工业生物技术研究所（国家合成生物技术创新中心）、中国科学院合成生物学重点实验室、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所/中国科学院深圳理工大学（筹）合成生物学院、天津大学合成生物学前沿科学中心、清华大学合成与系统生物学研究中心、北京化工大学北京软物质科学与工程高精尖创新中心、上海交通大学合成科学创新研究中心、江南大学未来食品科学中心等。

依托这些合成生物科技平台，一大批青年人才成长起来。他们有从海外学成回来的，也有在国内一路成长起来的，分布在高等院校、研究院所、企业研发中心和初创企业，为中国合成生物学的快速发展奠定了智力基础。

合成生物学这两年开始“井喷”式的发展，从底层技术的角度，得益于DNA测序、合成、编辑三大技术的不断突破和成本的显著降低。

现在，每一个研发单元，都能够按照自己的设计思想，对自然生物系统进行不同程度的设计改造，或创建出全新的生物体系。每一个全新体系的创建、每一次自然极限的突破，都在打破我们认知的边界，发挥合成生物学从“建物致知”到“造物致用” 的强大力量。

目前的合成生物学研究，对专用研究设备、设施和平台的依赖性比较强。未来，合成生物学底层技术与物联网、自动控制、大数据、人工智能等技术的结合，不仅会大幅降低其从研发到产业化的门槛，也有可能创造出新的需求。

如同计算设备直到个人计算机出现才形成了庞大的产业需求，真正进入了信息时代；合成生物学要实现大规模发展，其研发和应用平台的云端化、C端化、个性化，是非常值得期待的未来方向。

社会需求和技术创新驱动合成生物学发展

Q：近年来，合成生物学发展迅速，学术界和产业界均有很大突破。您觉得背后的原因是什么？您认为合成生物学发展前景如何？

A：近年来合成生物学的快速发展，社会需求拉动和技术创新驱动两个方面的因素都有。

从社会需求方面看，面临人口增长和老龄化、资源能源短缺、气候与环境变化这些问题，人类的可持续发展如何实现，需要有新的解决方案。

从技术创新方面看，DNA的读、写、改技术的低成本化和高通量化，使我们能够按照人类的意愿，对生物体系进行人工设计、改造和创建。

在“碳达峰、碳中和”的背景下，合成生物是实现物质财富可持续增长的重要途径。

一方面，“双碳”目标给各类“低碳”产业路径提供了强大的政策动力；另一方面，碳交易、碳市场等快速成熟的机制，也在一定程度上为这些替代技术快速上马和迭代提供了成本补贴和竞争优势，引导了各类制造企业不断投入合成生物学驱动的企业转型。

假设70%的化工产品以及300万种新分子能够通过合成生物实现制造，2025-2030年将是合成生物制造的快速成长期，而2030-2060则将是合成生物制造的爆发增长期。

我们可以乐观地预计，到2060年，全球合成生物制造形成的产值，将超过10万亿美元，发展空间是巨大的。

Q：从国家战略的角度来看，合成生物学已被提到很高的战略地位，如刚发布的“十四五”生物经济发展规划，您觉得未来几年，有哪些方面的进展能令合成生物学再上一个台阶？

A：从生命科学学科发展的角度看，合成生物学本质上是高阶、高版本的 DNA操控技术。它的发展，源于我们对自然界生物多样性及其重要性的深刻认识。通过学习自然、改造自然、超越自然，合成生物学为实现我们所居住星球的可持续发展，提供了一种新的可能性。

“十四五”生物经济发展规划中，多处提到合成生物学。确实，合成生物学在医疗、健康、粮食、食品、制造、环境等领域，都会发挥越来越大的作用。

更低成本、更高通量的DNA合成技术，将会进一步促进合成生物学研究的普及和应用；更高效、更精准、更简便的DNA编辑技术，将在医学、农业和工业应用领域发挥巨大作用；基于人工智能的蛋白质设计技术，以及细胞工厂的高效构建和调控技术，将会彻底改写很多物质的合成路线，并会极大地加速从DNA到产品的速度。

当然，如果站在更宏观的尺度上看，融通BT和IT的云端化、C端化、个性化的生物技术平台，也许会颠覆未来研发和应用模式，可能会为合成生物学的发展，带来目前我们还无法想象的更多可能性。

Q：生化环材一直被认为是四大天坑专业，近年来，生物技术的发展或为生物从业者带来了一些曙光，作为从事几十年生物研究的科学家，请你谈一谈您这些年来的心路历程？

A：一部人类发展的历史，实质上是人类不断创新对资源、能量和信息利用方式的历史。从科技的角度，凡是具有改变资源、能量和信息利用方式的学科，长远来看，都具有强大的生命力。

近百年来，生化环材四大专业的创新，一直在改变人类的生活方式，让我们的环境更加美好，物质更加丰富，生活更加富足。我们可以点出很多很多生化环材专业背景改变人类生活的科学家和企业家。

所以，并不存在所谓的“天坑”专业，关键在于学习专业的人，是否有愿意改变人类发展和社会进程的智慧、勇气和热情。

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