合成生物体将革新工业生物制造

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆生物资源与生物技术团队丁陈君（E-mail:dingcj@clas.ac.cn）、陈云伟、陈方

审稿专家：中科院院士，中科院上海生命科学院赵国屏研究员

合成生物体将革新工业生物制造

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆生物资源与生物技术团队丁陈君（E-mail:dingcj@clas.ac.cn）、陈云伟、陈方

审稿专家：中科院院士，中科院上海生命科学院赵国屏研究员

全球经济快速发展与粮食、能源、资源的供给和环境保护、生态平衡之间的矛盾日趋尖锐，经过近30年超高速经济发展的中国更必须直面这一困境。目前，我国正在努力向着可持续发展的低碳、循环、生态经济模式转型，对于传统制造业的革新，是这一转型的基础之一。

合成生物学是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的崭新的多学科交叉领域。它引入工程学的模块化、标准化概念和系统设计理念，综合物理、化学、信息等各学科知识和技术，以人工合成或改造重组DNA为基础，设计创建生物元件、模块、器件和装置，并通过这些元器件改造现有自然生物体系[1,2]或创建自然界中尚不存在的生物学组分和系统等“人造生命”[3]。合成生物学理论与技术在生物工程和生物制造技术中的广泛应用，不仅能突破生物体天然代谢合成功能与范围的局限，生产传统制造业难以高效制造的、产量极低的甚至自然界稀有的或不存在的特殊产品，为生物经济的发展注入强劲动力[4]；而且有望克服传统制造业高耗能、高污染的特性，以先进、高效、环境友好的方式生产人类所需的能源、化学品和材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线，打造“高效、清洁、节约、可持续”的社会经济发展新模式。总之，合成生物学技术通过理性设计，构建“人造生物体系”来获得人类需求产品的绿色制造，有望改写人们对先进制造技术的传统认识[5]。

1 合成生物学技术成为生物制造领域革新的核心推动力

当前合成生物学研究的重点是构建和组装新的合成生物体，进而按照人类意愿和需求设计新的高效生命系统，生产性能理想的产品与材料。2010年5月，美国克雷格·文特尔研究所创造了世界首例由人造基因组控制的细胞，在人工设计构建功能性合成生物体方面跨出了重要一步[6]。

合成生物学在医药制造领域应用最具代表性的例子是美国加州大学伯克利分校杰伊·基斯林研究组在2006年通过改造酵母代谢途径，实现抗疟疾药物青蒿素前体的生产。2013年4月10日Nature杂志又报道了该研究组成功实现了青蒿素的半合成，成为青蒿素合成研究过程中的一个里程碑式的突破。基于该研究成果，法国赛诺菲制药公司已启动了半合成青蒿素的大规模生产[7]。与青蒿素同为萜类化合物的紫杉醇是植物来源的抗癌药物。美国麻省理工学院和塔夫茨大学的科学家利用合成生物学技术构建大肠杆菌工程菌生产紫杉醇重要前体紫杉烯，且产量比已有文献有了显著提高，将人工合成紫杉醇向前推进了一大步[8]。此外，国内外学者通过合成生物学途径对人参皂苷的生物合成进行了探索,对控制该途径的关键酶有了一定的认识，为人工合成人参皂苷提供了重要的元器件[9-11]。

在能源和生物基化学品生物制造领域，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员通过改变大肠杆菌的氨基酸生物合成途径，使其更加适于长链醇燃料的生产，这是研究者首次成功合成长链醇[12]。与乙醇相比，长链醇含有更多碳原子，能量密度更大，更易从水中分离，有望成为理想的替代生物燃料。基斯林研究组利用合成生物学技术赋予大肠杆菌进行新的生化反应的能力，开发了一种能从生物质直接生产先进生物燃料的大肠杆菌工程菌株，利用其产生的脂肪酸生产生物柴油和其他重要的化学制品[13]。

合成生物技术的迅速发展及其向能源、医药、材料及环保领域产业的转化，将推进生物炼制与生物质转化、生物催化与生物加工、现代发酵等工业生物制造的重大创新和产业应用；对化石资源替代、工业加工方式替代以及传统生物产业升级产生巨大的推动作用[14]。美国预期到2020年实现以生物催化方法生产的产品增加20%—30%的精细化学品由生物催化方法生产，以生物催化工艺替代30%的传统工艺[15]；欧洲计划于2025年取得向基于生物技术型社会转变的实质进展[16]；我国计划到2015年生物制造产业年产值达7 500亿元，生物基产品和生物工艺对石油化工原料及传统化学工艺的替代取得重大进展[17]。

2 中国相关研究具有较好基础与前景

近年来，我国在微生物学、代谢工程学、基因工程学、基因组学、纳米科学、生物电子学、先进制造等方面已有多年的研究积累，创建了一系列关键的研发平台。通过举办或参与香山会议、中德前沿探索圆桌会议、三国六院会议等合成生物学领域重要会议，形成了很好的交流与合作基础。目前，科技部正在拟定合成生物学发展路线图，积极部署相关研究。

知识创新工程三期以来，中科院在代谢工程、生物燃料、生物基化学品、工业酶与大宗发酵产品开发等方面形成了一批关键核心技术；初步形成一支结构合理、学科互补的生物制造研究队伍；在生物制造领域已建有国家科学基础设施以及多个重点实验室；成立了中科院生物产业科技创新联盟，吸引大量意向性的企业成立科技创新基金。

当前，我国在利用底盘细胞快速高效合成青蒿素[18,19]、紫杉醇[20,21]和丹参酮二烯[22,23]等植物稀有活性成分，以及合成丁二酸[24,25]和异丙醇[26]等化工产品的生物制造技术方面取得了实质性进展。但在合成生物学技术及其在生物制造应用方面的国际竞争力仍有待进一步提高，因此，需要加强战略规划、持续开展科研攻关、加强系统集成和资源整合，从而为可持续生物经济的发展做出基础性、战略性和前瞻性的贡献。

1 Canton B,AlabnoA,Endy D.Refinement and standardization of synthetic biological parts and devices.Nature Biotechnology，2008，26（7）：787-793.

2雍晓雨,陈怡露.合成生物学应用于生物制造产业的研究现状与发展.见：中国科学院生命科学与生物技术局编著.2012工业生物技术发展报告.北京：科学出版社. 2012.67.

3 Kent H Redford,BillAdams,Georgina Mace.Framing paper prepared for“How will synthetic biology and conservation shape the future of nature?”.Cambridge: University of Cambridge Press，2013.

4 Institute for Ethics and Emerging Technologies.Synthetic Biology:Key Field of the Future，2012.http://ieet.org/ index.php/IEET/more/5061.

5 Stephanie S Shipp,Project Leader,Nayanee Gupta et al. Emerging Global Trends inAdvanced Manufacturing. Institute for defense ana lyses alexandria.2012.http:// amcrc.com.au/wpcontent/uploads/2013/03/Emerging-Global-Trends-in-Advanced-Manufacturing.pdf.

6 PennisiE Synthetic genome brings new life tobacterium. Science,2010,328:958-959.

7 Paddon C J,Westfall P J,Pitera D J et al.High-level semisynthetic production of the potent antimalarial artemisinin.Nature,2013;DOI:10.1038/nature12051.

8 Ajikumar PK,Xiao WH,Tyo KEJ et al.Isoprenoid pathway optimization for taxol precursor overproduction in Escherichia coli.Science,2010,330（6000）：70-74.

9 Han J Y,Hwang H S,Choi S W et al.Cytochrome P450 CYP716A53v2 Catalyzes the formation of protopanaxatriol from protopanaxadiol during ginsenoside biosynthesis in Panax ginseng.Plant Cell Physiol,2012, 53（9）：1535-1545.

10 Chen S L,Luo H M,Li Y et al.454 EST analysis detects genes putatively involved in ginsenoside biosynthesis in Panax ginseng.Plant Cell Rep,2011,30:1593-1601.

11 Chen X,Xue Y,Liu J H et al.Purification and characterization of glucosyltransferase from Panax Ginseng hairy root cultures.Pharm Biotechnol,2009,16:50-54.

12Atsumi S，Hanai T，Liao J C.Non-Fermentative Pathways for Synthesis of Branched-Chain Higher Alcoholsas Biofuels,Nature,2008,451:86-89.

13 Steen E J,Kang Y S,Bokinsky G et al.Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass.Nature,2010,463:559-562.

14中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京：科学出版社，2013，12.

15 Council for Chemical Research（US）.New Biocatalysts: Essential Tools for a Substainable 21st Century Chemical Industry.1999.http://www1.eere.energy.gov/ manufacturing/resources/chemicals/pdfs/biocatalysis_ roadmap.pdf.

16 EuropBio.Industrial or White Biotechnology-Adriver of sustainable growth in Europe.http://www.europabio.org/industrial-or-white-biotechnology-driver-sustainablegrowtheurope.

17国务院.“十二五”生物产业发展规划,2012.http://www.gov.cn/ zwgk/2013-01/06/content_2305639.htm

18张万斌,刘德龙,袁乾家.一种由青蒿酸制备青蒿素的方法：CN102718773A.

19 Kong J Q,Wang W,Wang L N et al.The improvement of amorpha-4,11-diene production by a yeast-conform variant.J Appl Microb,2009,106:941-951.

20 Wang W,Meng C,Zhu P et al.Preliminary study on metabolic engineering of yeast for producing taxadiene.China Biotechnol, 2005,25:103-108.

21王勇,熊智强,李诗渊.高效合成萜类化合物的重组大肠杆菌底盘细胞及其制法和应用：CN201210405951.8.

22 Zhubo Dai,Yi Liu,Luqi Huang et al.Production of miltiradiene by metabolically engineered Saccharomyces cerevisiae. Biotechnology and Bioengineering,2012,109(11):2845-2853.

23 Yongjin J,Zhou,Wei Gao,Qixian Rong et al.Modular Pathway Engineering of Diterpenoid Synthases and the MevalonicAcid Pathway for Miltiradiene Production.J.Am.Chem.Soc.,2012, 134（6）：3234-3241.

24 Lu X,Shen J,Jin X et al.Bactericidal activity of Musca domestica cecropin(Mdc)on multidrug-resistant clinical isolate of Escherichia coli.Appl Microbiol Biotechnol, 2012,95（4）：939-945.

25张学礼,徐洪涛,李清艳.生产丁二酸的大肠杆菌基因工程菌及其构建方法与应用:CN 201110031624.6.

26 Zongjie Dai,Hongjun Dong,Yan Zhu et al.Introducing a single secondary alcohol dehydrogenase into butanol-tolerant Clostridium acetobutylicum Rh8 switchesABE fermentation to high level IBE fermentation.Biotechnology for Biofuels,2012,5（1）：44.