去年9月，中科院團(tuán)隊(duì)獲得二氧化碳人工合成淀粉的重大突破。這一顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式的重大變革引發(fā)巨大關(guān)注的同時(shí)，也將合成生物學(xué)推到世人面前。中國(guó)合成生物學(xué)最早發(fā)起人之一，趙國(guó)屏院士這樣解釋：合成生物學(xué)區(qū)別于其他傳統(tǒng)生命科學(xué)（如基因科學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)等）的核心是其工程學(xué)本質(zhì)——合成生物學(xué)最主要的任務(wù)，是按人們的需求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的“產(chǎn)品”。近些年，從原材料到食品及其他產(chǎn)品，合成生物學(xué)市場(chǎng)正在快速崛起。據(jù)Synbiobeta發(fā)布的市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，2021年是合成生物學(xué)初創(chuàng)公司有史以來(lái)募集資金最多的一年，成為合成生物學(xué)市場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵元年，總額接近180億美元，其中第三季度以高達(dá)61億美元的融資達(dá)到目前頂峰。

　　事實(shí)上，從2000年中國(guó)合成生物巨頭上海凱賽生物技術(shù)有限公司成立，到2006年美國(guó)生物科技公司Amyris的青蒿素大獲成功，再到2013年基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9的橫空問(wèn)世，直至2021年美國(guó)基因編程公司Ginkgo和美國(guó)合成生物科技初創(chuàng)公司Zymergen兩大國(guó)外巨頭相繼上市，合成生物學(xué)已經(jīng)經(jīng)歷了20多年跌宕起伏的發(fā)展，如今迎來(lái)全面爆發(fā)，也讓食品營(yíng)養(yǎng)健康行業(yè)產(chǎn)生了顛覆性的技術(shù)變革。

　　一方面，合成生物學(xué)能夠利用微生物產(chǎn)生特定的食物分子，并生產(chǎn)動(dòng)物性食品，如肉類、乳制品、脂肪等，這些生產(chǎn)過(guò)程不需動(dòng)物參與，近些年大火的“人造”食品多屬于此類，包括人造蛋白、人造肉、人造脂肪、人造奶等，解決未來(lái)人們面臨的食物短缺問(wèn)題。另一方面，合成生物學(xué)可以開(kāi)發(fā)出高附加值的營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)，包括甜葉菊、赤蘚糖醇等。同時(shí)，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)營(yíng)養(yǎng)成分的精確調(diào)配，滿足特定消費(fèi)群體的健康需求，在一定程度上匹配消費(fèi)者對(duì)飲食的科學(xué)性和營(yíng)養(yǎng)性的訴求。

合成生物學(xué)正在塑造未來(lái)食品形態(tài)

　　氣候變化、人口增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)用地驟減等因素正在影響著人類的飲食，合成生物學(xué)制造的食品開(kāi)始改變?nèi)藗儗?duì)食品的看法，并推動(dòng)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。在功能性食品領(lǐng)域，合成生物學(xué)具有不斷增長(zhǎng)的潛力，比如利用微生物，如酵母、細(xì)菌或酶發(fā)酵產(chǎn)生特定的食物分子，并生產(chǎn)動(dòng)物性食品，如肉類、乳制品。

　　在具體的應(yīng)用方面，合成生物學(xué)家首先通過(guò)識(shí)別負(fù)責(zé)某些所需品質(zhì)的基因序列來(lái)改變食物，例如牛肉的牛肉味或糖的甜味，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)再生，并被放置在酵母或細(xì)菌細(xì)胞中，最后通過(guò)發(fā)酵的形式產(chǎn)生這些蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)將作為食物或纖維成分應(yīng)用在產(chǎn)品配方中。

　　對(duì)于具體原料而言，目前大多數(shù)生產(chǎn)方法都依賴于漫長(zhǎng)種植周期和低產(chǎn)量提取過(guò)程，并且多數(shù)情況下植物中的活性化合物濃度比較低，導(dǎo)致整個(gè)市場(chǎng)價(jià)格較高。同時(shí)，由于原料容易受到氣候環(huán)境和季節(jié)的影響，導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈穩(wěn)定性不強(qiáng)。合成生物學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于原料的可持續(xù)性、供應(yīng)鏈安全性、綠色環(huán)保等具有重要的作用。如合成香草現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)了全球供應(yīng)的85%，解決了一種主要在馬達(dá)加斯加天然生產(chǎn)的香料長(zhǎng)期以來(lái)的供應(yīng)難題。

多家企業(yè)搶先加入“賽道”

　　從食品原料的開(kāi)發(fā)到細(xì)胞培養(yǎng)肉再到替代蛋白，合成生物學(xué)在食品營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用在逐年增加。

　　雖然從出現(xiàn)到現(xiàn)在的20多年間，合成生物學(xué)一直被質(zhì)疑能否真正以生物合成的方式產(chǎn)出可量產(chǎn)、具備成本優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，但近兩年隨著技術(shù)的成熟，確實(shí)已經(jīng)有一批原料真正實(shí)現(xiàn)了理論驗(yàn)證，包括長(zhǎng)鏈二元酸、丙氨酸、母乳低聚糖、膠原蛋白、一三丙二醇等，以及人造肉等消費(fèi)品。

　　2001年，凱賽生物開(kāi)始投資建設(shè)生物法長(zhǎng)鏈二元酸項(xiàng)目，使其成為世界上第一個(gè)用生物法取代化工法的材料單體。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)從十碳到十八碳的各種鏈長(zhǎng)二元酸。隨著年產(chǎn)10萬(wàn)噸的生物基聚酰胺生產(chǎn)線于2021年中期投產(chǎn)，其重要儲(chǔ)備產(chǎn)品生物基戊二胺和生物基聚酰胺開(kāi)始銷售，而其生物法長(zhǎng)鏈二元酸產(chǎn)品的毛利率也在逐年上漲。

　　成立于2015年的美國(guó)Geltor公司則利用開(kāi)發(fā)出的生物設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)，通過(guò)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等工具對(duì)微生物進(jìn)行編程，產(chǎn)品是在受控、可持續(xù)的發(fā)酵過(guò)程中生產(chǎn)，不含任何動(dòng)物成分。目前，該公司主推的原料是膠原蛋白，可應(yīng)用在膳食補(bǔ)充劑、食品飲料等產(chǎn)品配方中。該公司開(kāi)發(fā)的一種用于食品和飲料的高純度生物活性素食膠原蛋白，含有豐富的甘氨酸和脯氨酸，2019年首次在市場(chǎng)上銷售。目前含有該原料的食品飲料已經(jīng)形成商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，整個(gè)生產(chǎn)規(guī)模和效率獲得提升。

　　另外，嘉必優(yōu)生物技術(shù)（武漢）股份有限公司已經(jīng)建立合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室并啟動(dòng)一批具有技術(shù)前瞻性和市場(chǎng)潛力的研究項(xiàng)目。該公司正基于合成生物學(xué)平臺(tái)加快母乳低聚糖、1,3-二油酸-2-棕櫚酸甘油三酯、蝦青素、番茄紅素、γ-PGA、α-熊果苷等新產(chǎn)品的研發(fā)工作，以擴(kuò)充整個(gè)產(chǎn)品線和產(chǎn)業(yè)鏈，為其新產(chǎn)品拓展開(kāi)發(fā)提供有力支撐，夯實(shí)其在人類營(yíng)養(yǎng)、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)和功能護(hù)理原料的地位。同時(shí)，該公司還對(duì)外開(kāi)展合成生物學(xué)及其上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)的交流與合作，包括中科院、農(nóng)科院、天津大學(xué)和浙江大學(xué)等，通過(guò)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及資本結(jié)合，希望成為全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)生態(tài)高地。

　　而安徽華恒生物科技股份有限公司則是我國(guó)乃至世界丙氨酸第一大供應(yīng)商。關(guān)于生物法合成丙氨酸的產(chǎn)業(yè)化，從其產(chǎn)能利用率可見(jiàn)一斑：2017年至2020上半年，該公司丙氨酸產(chǎn)品產(chǎn)能利用率為71.94%、90.30%、97.00%、89.13%，持續(xù)保持穩(wěn)健發(fā)展態(tài)勢(shì)。

　　青島芝諾生物科技有限公司與合肥一兮生物科技有限公司則專注于以合成生物技術(shù)生產(chǎn)母乳低聚糖，據(jù)透露，兩家企業(yè)都已完成產(chǎn)品中試，預(yù)計(jì)可在近期實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。母乳低聚糖是母乳中固形物含量最高的三種物質(zhì)之一，具有益生元作用，可以幫助嬰兒建立起自己的免疫系統(tǒng)，其作為嬰兒配方奶粉的添加劑已添加在進(jìn)口奶粉中。

科技助力合成生物產(chǎn)品落地

　　據(jù)了解，從關(guān)鍵菌種的設(shè)計(jì)到優(yōu)化，我國(guó)很多科學(xué)家和公司都在合成生物技術(shù)方面做了大量工作，未來(lái)會(huì)影響到生活的方方面面。其中，很多國(guó)家級(jí)的合成生物學(xué)重點(diǎn)專項(xiàng)和綠色生物制造重點(diǎn)專項(xiàng)，也都在支持這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。如中科院植生所王勇團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)有新型天然甜味劑甜菊糖稀有組分Reb D、Reb M，甜茶素，新獸藥及飼料添加劑黃芩素、新型糖尿病藥物a-糖苷酶抑制劑I-1等多項(xiàng)基于合成生物學(xué)的原創(chuàng)性產(chǎn)品進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段。

　　一直以來(lái)，甜葉菊主要是從甜菊葉中提取，依賴于種植的甜菊原料需求量巨大。近10年來(lái)，甜菊提取物一直是出口額最大的植物提取物品種。但甜菊品質(zhì)參差不齊、高品質(zhì)組分含量低。為了獲得高品質(zhì)的甜菊糖苷，必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分離提取過(guò)程，去除口感不佳的組分。合成生物學(xué)的出現(xiàn)為從微生物中獲取甜味劑帶來(lái)了曙光。

　　談起具體研發(fā)過(guò)程，王勇說(shuō)，“糖基化修飾在天然產(chǎn)物的合成中廣泛存在，但甜菊糖二萜母核的糖基化修飾在自然界卻特別稀少，只有三、四種植物可以產(chǎn)生這類化合物，如甜葉菊、甜葉懸鉤子、日本的明日葉等，化合物的種類也只有100 多種。我們解析了這類化合物在植物中是如何被合成的，哪些酶參與了這個(gè)過(guò)程，特別是糖基化產(chǎn)物是如何被合成的，它的機(jī)制是什么。基于催化機(jī)制的研究和工程化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善了這些關(guān)鍵酶的催化活性，最終通過(guò)合成生物技術(shù)，在微生物底盤中實(shí)現(xiàn)了甜菊糖稀有組分Reb D和Reb M的定向、高效合成，并于2018年在全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。”

　　據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的甜味劑原創(chuàng)產(chǎn)品，涉及兩個(gè)甜菊糖的稀有組分Reb M和Reb D。這是天然甜味劑中少有的口感與蔗糖無(wú)差別的天然代糖，這兩種成分在天然甜葉菊的葉子中含量極低，僅靠提取無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。

　　2019 年，基于合成生物技術(shù)的Reb D和Reb M生產(chǎn)通過(guò)了美國(guó)食品藥品管理局甜味劑認(rèn)證。該發(fā)酵技術(shù)目前已經(jīng)部分取代了傳統(tǒng)的植物提取方式，節(jié)約了大量耕地，實(shí)現(xiàn)了不依賴于植物種植提取的綠色生產(chǎn)?；谠摷夹g(shù)的甜味劑產(chǎn)品已經(jīng)在食品、飲料等領(lǐng)域中獲得了廣泛使用，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該技術(shù)大大提升了傳統(tǒng)甜葉菊提取行業(yè)的技術(shù)水平，對(duì)整個(gè)行業(yè)起到了示范和推動(dòng)作用。

成本控制法規(guī)完善成主要挑戰(zhàn)

　　合成生物學(xué)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)才剛剛興起，尤其是在食品配料和功能營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域，這個(gè)過(guò)程中存在很多細(xì)分的市場(chǎng)機(jī)遇，同時(shí)也面臨很多挑戰(zhàn)。

　　其中，從實(shí)驗(yàn)室概念階段到工業(yè)化量產(chǎn)階段，成本控制是早期需要面對(duì)的首要難點(diǎn)。而在政策法規(guī)方面，作為食品原料或食品必須要有合法的身份，國(guó)內(nèi)新食品原料的申報(bào)周期比較長(zhǎng)，而且大多是參考國(guó)外法規(guī)批準(zhǔn)的物質(zhì)。同時(shí)，合成生物學(xué)生產(chǎn)的新型健康原料必須要納入安全評(píng)價(jià)和監(jiān)管體系中，因此整個(gè)過(guò)程漫長(zhǎng)。顯而易見(jiàn)，法規(guī)的完善對(duì)合成生物學(xué)商業(yè)化真正落地將起到重要推動(dòng)作用。

　　目前，對(duì)于食品領(lǐng)域的應(yīng)用，美國(guó)和歐盟的規(guī)定都很清晰，基因工程菌株來(lái)源的食品、保健品和飼料添加劑是允許使用的，需要經(jīng)過(guò)一系列的申報(bào)審批。

　　我國(guó)當(dāng)前只有許多試行政策，預(yù)計(jì)未來(lái)相關(guān)的法律法規(guī)也會(huì)逐漸跟上。據(jù)了解，我國(guó)有些菌種已經(jīng)在安全性方面獲批。政府的持續(xù)支持和法規(guī)的完善會(huì)使合成生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)入快速通道。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，市場(chǎng)的需求、行業(yè)的需求、國(guó)家的需求、人類發(fā)展的需求，是合成生物學(xué)家從選題到產(chǎn)業(yè)化必須要考慮的問(wèn)題。“生物工程、生物技術(shù)只有轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，服務(wù)于人、國(guó)家和行業(yè)，才有價(jià)值。”無(wú)論業(yè)內(nèi)人士還是專家，對(duì)合成生物學(xué)的未來(lái)都充滿期待。

　　（楊曉晶 綜合整理）