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合成生物学技术:触发生物发酵产业变革
作者: 来源: 访问:872 时间:2022-04-30

合成生物学被称为生命科学的第三次革命,在食品、医学、制药、化工、能源、材料、农业和环保等领域均有着广泛的应用前景。基础研究和底层技术的突破以及相关成本的迅速下降,为合成生物学技术转化打开了新格局。日前,由中国生物发酵产业协会主办、梅花生物科技集团股份有限公司承办的“2023中国合成生物学技术创新发展论坛”在北京举办。与会专家表示,合成生物学正从技术探索走向生产应用,由此催生了新市场和新增长点。

  合成生物学技术为生物发酵产业开辟新赛道

  面对新一轮科技革命和产业变革的重要机遇,如何以科技创新开辟生物发酵产业发展的新领域、新赛道,不断塑造新动能、新优势?

  中国发酵产业协会理事长于学军表示,生物发酵产业是我国战略性新兴产业,是生物制造的基础产业。近年来,生物发酵行业自主创新能力显著增强,装备水平快速提高,绿色制造大幅提升,节能减排成效显著。2022年,生物发酵主要产品产值约2860亿元,增长约10%;出口约650万吨,增长约15%,出口额增长近28%。《“十四五”生物经济发展规划》《关于推动轻工业高质量发展的指导意见》等相关政策的出台,对中国生物发酵产业的发展提出了新要求、赋予了新使命,同时也为产业的发展指明了新路径、提供了新方向。

  于学军表示,“十四五”时期是我国生物经济发展的关键时期,生物制造是生物经济发展的重要基础,而合成生物学则是生物制造的重要技术支撑。合成生物学是生命科学领域一门新兴交叉科学,被视为理解生命的“新钥匙”、未来的颠覆性技术之一,也是世界各国重点发展布局的领域之一。合成生物学已经迎来历史性发展机遇和广阔前景,正在快速向实用化和产业化方向发展,在“双碳”、生物材料、生物信息技术和人工智能等领域都会发挥出独特的作用,是世界各国科技发展的必争之地,对于改变我国相关产业经济增长方式、实现产业绿色可持续发展、推动我国生物经济加快实现由大到强具有重要的战略意义。

  于学军认为,面向未来,合成生物学应聚焦基因编辑、基因合成与组装等底层技术,利用人工智能和集成电路集聚优势做好支撑。要全力加快合成生物学技术在生命健康、食品与农业、材料与能源、环境与可持续发展领域的应用研究,实现合成生物学技术从科研成果到产品产业化全链条发展。

  以合成生物学技术改造传统大健康产品研发路径

  近年来,得益于技术突破、政策支持等因素,合成生物学技术取得突破性发展,迅速从实验室走向产业,广泛应用在医疗健康、绿色能源、日化美妆、食品消费等领域,并且普遍具有低成本、高效率和高价值的特点。

  “我们利用合成生物学技术改造或者颠覆传统大健康产品的研发路径,从找菌种到找基因,从被动筛选到主动创新,从利用自然菌种到人工设计产生菌。”中国科学院院士邓子新表示,合成生物学技术颠覆了国内外重大品种的合成工艺,打破了国外大品种的垄断,带动了传统产业向高端产业快速转型升级。在研发层面,可以加速形成一系列具有高端自主知识产权新产品,培养一批业内高级专业技术人才。

  合成生物学技术作为变革传统食品生产和制造的关键技术,通过创建具有食品级工业应用能力的人工生物合成系统,可以实现更安全、更健康和可持续的食品获取方式。中国工程院院士陈坚举例说,酵母合成酒花与发酵啤酒同步技术,应用合成生物学使工业酿造酵母合成单萜分子芳樟醇和香叶醇,在成品啤酒中形成啤酒花风味,而不用添加啤酒花。又如,合成生物学与人造牛奶,通过分析牛奶中对人体有益的重要原料,以合成生物学技术构建酵母细胞,实现发酵合成多种蛋白与脂肪酸。在陈坚看来,合成生物学技术对现代食品工业的快速发展起到了极大的推动作用。食品加工过程中运用合成生物学技术,能够在保证食品质量的同时提升加工效率。

  基于合成生物学技术可以加速实现营养化学品的产业化。以维生素为例,中国工程院院士郑裕国指出,我国维生素市场规模不断扩大,合成生物学技术的崛起与进步给维生素产业的发展带来了新的机遇。郑裕国介绍,维生素生产主要以化学法和生物发酵法为主,在合成生物学技术快速发展的推动下,呈现从化学法向绿色低碳生物法发展的趋势。随着合成生物学技术的进一步升级与工程化应用,多个品种的维生素有望实现对原有生产路线的替代。

  麦肯锡数据显示,预计到2025年,合成生物学与生物制造的经济价值将达到1000亿美元,未来全球60%的物质生产可通过生物制造方式实现。天津工业生物技术研究所副所长孙际宾介绍,生物制造是先进工业生产方式,是实现工业可持续发展最有希望的领域之一。生物制造的原料一般为含碳化合物,来自农业(糖、淀粉、秸秆)、工业(甲醛等石油化工)、自然界(天然气),具有原料可再生、过程绿色化、产品范围广的特征。

  黄单胞多糖、鞘氨醇多糖、糖胺聚糖等微生物多糖广泛应用于食品、医药等各个领域。南开大学生命科学学院副院长马挺介绍,合成生物学定制多糖新产品研发以及多糖修饰产品的应用,可进一步丰富产品种类,拓宽应用市场。

  中国科学院合成生物学重点实验室研究员杨晟认为,合成生物学应用范围不断拓宽,逐步从基础前沿的探索阶段进入应用导向的转化研究阶段。海通国际证券首席分析师刘威指出,我国合成生物学的核心竞争力优势显著,即制造优势、效率优势、市场优势。

  生物发酵行业正在面临转型升级的共性问题,如何利用合成生物学技术,促进生物发酵产业发展?对此,天津科技大学校长路福平表示,若想通过合成生物学技术促进生物发酵产业发展,需从原料、产品导向、发酵过程等方面着手。

  目前,合成生物学正在国内触发产业变革。在关键核心技术领域和下游应用端,技术创新的势头趋于明显,不少产品已占据全球原料市场“排行榜”前列。梅花生物科技集团股份有限公司总经理何君认为,合成生物学可以制造出人们需要的产品,简单地说,合成生物学技术将不可能变成可能。近年来,我国在合成生物学领域诞生了一大批企业。从产业集聚度来看,国内合成生物学企业比较多地汇聚在长三角、京津冀、粤港澳,不少企业已经发展成为细分领域的行业龙头,并且加速推动AI技术在合成生物学领域的应用。梅花生物从2010年起便深耕合成生物学领域,搭建了菌种改造、工艺优化、应用开发的专业团队,拥有新一代基因组测序仪等先进设备,能快速表征高通量筛选获得细胞的产物谱和基因型,用于指导设计新一代的合成生物学菌株,为今后产业发展打下了坚实基础。