发酵罐里“酿”出青蒿素 这种技术帮人类实现“造物自由”

发酵罐里“酿”出青蒿素 这种技术帮人类实现“造物自由”
发酵罐里“酿”出青蒿素 这种技能帮人类完结“造物自在”  有了组成生物技能,用100立方米工业发酵罐出产出的青蒿素,与5万亩农业栽培获得的产值适当。  假如咱们食用的粮食、肉类、油脂,不需求土地栽培和畜牧饲养,就可以脱节靠天吃饭和土地资源严重的命运;假如咱们运用的汽油、制作各种化工产品的质料,不需求石油、天然气等碳基动力,就不会再忧虑动力干涸和环境污染的问题;假如许多珍稀的药物成分,不需求再从植物和动物中提取,就不会忧虑物种灭绝和过多屠戮……这些看似天方夜谭的作业,正跟着组成生物学技能的迅猛开展被逐渐完结,未来咱们所需的各种产品或许像酿啤酒相同,在工厂车间就能制作出来。  日前科技部同意建造国家组成生物技能立异中心,这将为进步我国组成生物范畴企业和工业立异才干供给有力支撑。  创立有特定功用的“人工生物”  组成生物学作为新式前沿穿插学科之一,早在2004年就被美国《麻省理工·技能谈论》选为改动世界的未来十大技能之一。我国科学院天津工业生物技能研讨所副所长王钦宏介绍说,组成生物学便是选用工程化规划理念,对生物体进行有方针的规划、改造乃至从头组成,创立出能完结特定功用或被赋予非天然功用的“人工生物”。它是继DNA双螺旋结构发现和基因组测序之后的“第三次生物科学革新”,促进了人类对生命暗码从“读”到“写”的突变,使人类战胜天然进化的限制,让规划天然为人类服务成为或许。  “组成生物学是在分子水平上对生命体系的从头规划和改造。”王钦宏解说说,这个进程很像IT技能,假如让核算机完结某种功用,需求许多元器件集成起来。基因就适当于具有各种功用的元器件,咱们把所需求组成的方针物质的各种基因以工程化的办法规划集成,然后装入底盘细胞(现在便于遗传控制的酿酒酵母和大肠杆菌是常用的底盘细胞),被从头规划的细胞便是组成生物。以生物组成西红柿红素为例,咱们可以先从西红柿中提取西红柿红素组成所需求的一切基因,然后把这些基因从头规划组合,再装入“底盘细胞”——大肠杆菌或酿酒酵母中获得组成生物,再以葡萄糖作为质料,经过相似酿制啤酒相同的进程,出产出的西红柿红素,与从西红柿中提取的西红柿红素彻底相同。  这个看似简略的进程,触及到生物学与化学、工程学、核算、生物信息学等多学科的穿插交融,此外还触及基因组测序、基因化学组成、基因修改、生物核算与建模、蛋白质结构解析、理性规划与定向进化、组成途径构建与调控等一系列中心技能。  “从2010年首个细胞生命被成功组成,到2019年完结功用性定制细胞器的组成,组成生物学不断获得严重科学打破。”王钦宏介绍说,现在组成生物技能首要运用于信号传导、能量转化、物质组成和分子辨认等范畴。信号传导可运用于癌症、糖尿病的智能治疗,活络检测出体内的疾病;能量转化可用于人工光合效果,经过从头规划植物中光合效果体系,进步光合效果中植物对能量的吸收转化,使作物成长周期缩短,添加产值;物质组成是经过构建组成细胞工厂,完结化工、资料、动力的绿色制作;分子辨认首要运用于环境检测,经过增强分子信号辨认才干,进步检测的活络度。  推翻传统工业形式  “传统的化学组成,首要以石油、天然气等碳基动力作为质料,在出产进程中,或许会发生很多二氧化碳和有毒有害物质。而选用组成生物技能,只需求酵母、细菌等做‘底盘’,用来自玉米淀粉的葡萄糖等做质料,就可以组成咱们所需的各种物质。”王钦宏进一步介绍,此外还可以运用秸秆等植物纤维作为质料,乃至现在正在研讨越过植物光合效果组成物质的进程,直接运用二氧化碳作为质料,完结各种生物组成。  “因而,组成生物技能的运用,推翻了工业、农业、食物、医药等范畴传统工业形式,为社会经济问题供给解决方案,发明价值链高端的新经济增长点。”王钦宏说,“现在组成生物技能正快速向实用化、工业化方向开展。”  在农产品方面,运用微生物细胞作为细胞工厂,我国已完结人参皂苷、西红柿红素、灯盏花素、天麻素等很多天然产品的人工组成,形成了新的制作形式,削减了对土地的依靠和污染。以天麻素为例,其生物组本钱钱是植物提取的1/200、化学组成的1/2—1/3,出产功率大幅进步,质量可彻底代替化学组成。王钦宏介绍说:“还有像红景天里边的首要成分红景天苷,这种成分只要在成善于海拔4000米以上的红景天中才干提取到。而经过生物组成的办法,在工厂里就可以出产了。”  在石油化工产品方面,我国现在创立了丁二酸、丙氨酸、苹果酸等一批化学品组成的生物制作道路,推翻了对石油、天然气等传统资源的依靠与高污染的传统化工进程。“以丙氨酸为例,我国在世界上首先建成万吨级L-丙氨酸生物组成道路,比较化工组成道路,出产本钱下降50%,废水排放和能耗别离下降90%、40%。”王钦宏介绍说。  在化学质料药方面,完结了羟脯氨酸、肌醇、左旋多巴、维生素B12等产品的绿色新工艺。以肌醇为例,组成生物工艺较传统工艺高磷废水的排放削减90%以上,本钱下降50%以上。  在传统工业改造方面,运用生物纺织、生物造纸、生物脱胶等绿色生物工艺,完结了二氧化碳减排,削减污水排放,促进传统工业走出资源环境限制。  开展迅猛但亟须打破瓶颈  尽管现在世界组成生物学研讨飞速开展,组成生物学的底层技能、生物体系构建、实用性技能现已发生了革新性改变,可是组成生物技能要想完结工业化,下降本钱、进步与传统出产形式的竞争力非常重要。“比方美国组成生物学家规划构建了可以出产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞,其技能才干可完结100立方米工业发酵罐的出产值与5万亩农业栽培获得的产值适当,使抗疟疾药物本钱下降90%,可谓组成生物技能的严重运用模范。”王钦宏说。  “我国在组成生物范畴起步略晚,可是开展很快,现在我国组成生物学研讨,无论是在根底科研论文宣布量,仍是技能专利申请量方面,均已在世界上处于第二位。”王钦宏介绍说,前不久在天津召开了两个组成生物学范畴的盛会——“2019代谢工程世界会议”和“第十届我国工业生物技能开展高峰论坛暨第四届生物工业出资大会”。在会上,代谢工程学科创始人之一的延斯·尼尔森表明,我国正在全球代谢工程范畴发挥越来越重要的效果。与此同时,还发布了《我国工业生物技能白皮书2019》,全面总结了我国工业生物技能近年来在根底研讨、运用研讨、技能转化与工业开展等方面获得的开展和成果。  “但与美国比较,我国在根底理论、中心体系、工业技能等方面尚存在不小的距离。”王钦宏坦言,这首要表现在原创标志性作业较少,还没有呈现相似于“人工生命”、青蒿素组成式的严重打破;组成生物规划创制的技能办法体系不完善,元件标准化、通用性方面有距离,导致中心技能和关键设备对国外依存度高;从根底研讨到运用技能立异方面,需求更好地联接,需求从需求动身凝练中心科学问题,推动组成生物学技能推翻式立异与工程化运用,支撑生物工业开展。  现在,我国在自主细胞工厂创制的机制与分子根底方面,在DNA组成、生物元件标准化、基因修改体系、组成生物理性规划等底层中心技能构建方面,在高通量、自动化的体系技能渠道建造方面还存在缺乏,亟须打破技能瓶颈,占据世界竞争制高点。  陈 曦

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