用藍(lán)藻建設(shè)“細(xì)胞工廠”，倪俊真才俊

上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授倪俊在實(shí)驗(yàn)室。(受訪者供圖)

記者周琳、董雪

你見過“細(xì)胞工廠”嗎?在這里，生產(chǎn)線上忙碌工作的不是“打工人”，而是一顆顆通過顯微鏡才能看清楚的細(xì)胞，它們不吃飯也不睡覺，只要有陽(yáng)光和空氣，就能生產(chǎn)出一系列人們需要的高價(jià)值天然產(chǎn)物。

上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授倪俊將這樣神奇的“細(xì)胞工廠”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，他使用基因編輯等合成生物技術(shù)對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行改造，通過引入其他植物的天然產(chǎn)物“生產(chǎn)線”，讓繁殖速度快、光合效率高的藍(lán)藻也能生產(chǎn)出相應(yīng)的高附加值物質(zhì)。

以天然活性抗氧化成分白藜蘆醇為例，葡萄、花生等植物中的白藜蘆醇含量通常不足萬(wàn)分之一。使用“藍(lán)藻工廠”后，每生產(chǎn)一噸白藜蘆醇，可以相應(yīng)縮短生產(chǎn)周期240倍，節(jié)約土地72750畝，同時(shí)吸收二氧化碳超過兩千噸。

拓荒：改造“植物祖先”藍(lán)藻

“你可以隨心所欲改造藍(lán)藻，引入不同植物的代謝途徑，就相當(dāng)于把藍(lán)藻變成‘人參’‘葡萄’等植物。”倪俊說，“理論上來說，只要是自然界植物能產(chǎn)生的物質(zhì)，都能用‘藍(lán)藻工廠’來生產(chǎn)?！?/p>

憑借在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得的成果以及對(duì)環(huán)境保護(hù)做出的貢獻(xiàn)，倪俊成為2019年《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國(guó)區(qū)得主。

2013年前后，將大腸桿菌、酵母菌改造為“細(xì)胞工廠”的生物合成技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。在科學(xué)家們的努力下，“細(xì)胞工廠”可以利用葡萄糖為原料，大量生產(chǎn)特定的有機(jī)物。

但是，葡萄糖依舊是一筆不小的成本，稱不上真正的“綠色合成”，能不能直接利用植物的光合作用，用二氧化碳做原料?當(dāng)時(shí)正在上海交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位的倪俊有了一個(gè)大膽的想法：有著“植物祖先”之稱的單細(xì)胞生物藍(lán)藻能表達(dá)幾乎所有植物源的基因，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單便于改造，還可以直接利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)二氧化碳來合成產(chǎn)物，非常適合用作植物天然化合物的生產(chǎn)平臺(tái)。

“我一開始簡(jiǎn)單地想把植物的代謝途徑放進(jìn)藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)，但是沒有得到想要的結(jié)果，之后又做了很多探索優(yōu)化，用一年多時(shí)間才完成對(duì)藍(lán)藻的定向改造。”倪俊說。

2015年，倪俊首次將光合微生物直接用于轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能和溫室氣體二氧化碳生產(chǎn)一系列高值天然產(chǎn)物，成為光驅(qū)動(dòng)合成生物學(xué)領(lǐng)域名副其實(shí)的拓荒者。他通過完善光合微生物的改造方式，使得光合效率提高近70%，還揭示出光合部分關(guān)鍵機(jī)制，為植物光合效率進(jìn)一步提高和人工光合自養(yǎng)體系設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

革新：將科研搬進(jìn)工廠造福于民

發(fā)論文更重要?還是應(yīng)用更重要?在技術(shù)不斷突破的同時(shí)，倪俊對(duì)科研的意義也有了新的認(rèn)識(shí)。

“當(dāng)學(xué)生的時(shí)候，希望通過發(fā)論文來得到認(rèn)可，但是我現(xiàn)在更希望自己的研究成果能有用。有很多技術(shù)的價(jià)值不在于發(fā)篇論文來體現(xiàn)學(xué)科上的創(chuàng)新性，而是應(yīng)用效果更好、產(chǎn)量更高，能通過大規(guī)模生產(chǎn)造福于民?！蹦呖≌f。

倪俊1987年出生于江蘇揚(yáng)州，學(xué)習(xí)生物學(xué)是他從小的理想。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)界曾掀起一場(chǎng)生物學(xué)浪潮，“21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)”在許多年輕人心中埋下理想的種子。倪俊也深受感染，讀高中時(shí)就開始參加生物競(jìng)賽，高考報(bào)志愿時(shí)毫不猶豫地選擇了生物學(xué)，立志成為一名生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家。

倪俊回憶，他本科期間的導(dǎo)師從事環(huán)境生物修復(fù)研究，用微生物降解農(nóng)藥殘留，修復(fù)土壤環(huán)境。盡管年過花甲的導(dǎo)師付出了很多心血，但由于市場(chǎng)動(dòng)力不足等原因，技術(shù)未能成功應(yīng)用，這件事一直鞭策著他。

倪俊在取得技術(shù)突破后，專注于將藍(lán)藻“細(xì)胞工廠”真正地搬進(jìn)工廠，而不是局限于實(shí)驗(yàn)室。目前，他開發(fā)出磷源替代方法，使藍(lán)藻養(yǎng)殖實(shí)現(xiàn)不滅菌的敞開式培養(yǎng)，擺脫發(fā)酵罐的設(shè)備成本和滅菌的能耗成本。而且讓產(chǎn)物存在于細(xì)胞里，避免了從藍(lán)藻中提取純化的成本，不用把細(xì)胞弄破就可以直接使用。

“生產(chǎn)很多化合物不再需要大型的工廠和農(nóng)場(chǎng)，用罐子或池子就行，就像傳統(tǒng)的養(yǎng)藻一樣簡(jiǎn)單方便?！蹦呖≌f。

“香料之王”香蘭素、天然活性抗氧化成分白藜蘆醇、生物基可降解塑料聚乳酸、具有保濕等功效的1，3-丙二醇……倪俊用技術(shù)手段直接顛覆了一些領(lǐng)域化工生產(chǎn)或大規(guī)模種植作物后提取特定產(chǎn)物的生產(chǎn)方式，受到市場(chǎng)歡迎，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)緩解氣候變化也起到積極的作用，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供新解。

挑戰(zhàn)：加速中國(guó)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

倪俊有一個(gè)擔(dān)憂：一個(gè)生物體中起功能的基因有數(shù)千個(gè)，起到調(diào)控作用的元件也有很多，整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜。怎么做到引入一個(gè)代謝途徑，能夠與微生物自身的代謝網(wǎng)絡(luò)完美合并?刪去哪些基因，又怎樣添加新的基因，才能讓微生物最大化地產(chǎn)生想要的產(chǎn)物?答案是：借助自動(dòng)化設(shè)備大量做實(shí)驗(yàn)，不需要科研人員自己動(dòng)手，高通量的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)會(huì)修正科研人員使用的代謝模型。

“如果有一天自動(dòng)化設(shè)備能用這樣的方式將代謝模型改進(jìn)到非常準(zhǔn)確的程度，現(xiàn)在醫(yī)藥、化工領(lǐng)域的很多產(chǎn)業(yè)將不復(fù)存在?，F(xiàn)在還沒有大規(guī)模取代，是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)領(lǐng)域生物法的效率還沒有超越化學(xué)法或植物提取的效率?！蹦呖≌f。

倪俊表示，合成生物學(xué)發(fā)軔于2000年左右，快速發(fā)展的時(shí)間還不到10年。從科研端來看，國(guó)內(nèi)外合成生物學(xué)的科研水平相差不大，甚至中國(guó)在一些技術(shù)上領(lǐng)先于國(guó)外。比如，第一個(gè)將釀酒酵母的16條染色體重新設(shè)計(jì)并人工合成1條的技術(shù)就是出自中國(guó)團(tuán)隊(duì)。但是，在自動(dòng)化設(shè)備方面，在人工智能與合成生物學(xué)交叉的領(lǐng)域，我們還有一些欠缺。

“歐美的學(xué)科交叉發(fā)展得更好，有很多合成生物學(xué)的平臺(tái)型應(yīng)用型企業(yè)，但目前，中國(guó)還缺少這種平臺(tái)企業(yè)將合成生物學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)整合起來，提高可實(shí)際應(yīng)用合成生物技術(shù)的開發(fā)速度。”倪俊說，這是中國(guó)在合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)上跟國(guó)外差距很大的原因。

“將科研與企業(yè)相融合，促進(jìn)人工智能、自動(dòng)化技術(shù)與合成生物學(xué)交叉發(fā)展，著力發(fā)展新型的合成生物平臺(tái)公司，才能加速中國(guó)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)的落地與發(fā)展?！蹦呖≌f。