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很久以前，人们就借助微生物或酶的本领酿酒、发面；如今，合成生物技术通过设计、改造基因，能够生产出人们需要的新物质。“十五五”规划纲要把生物制造列为未来产业之一。科学家如何按需“制造”生物？有哪些前沿探索？又有哪些未来应用值得期待？本期“院士讲科普”，中国科学院院士元英进带我们走进“生物工厂”，了解小细胞中生长出的大产业。

——编  者  

酸奶、抗生素、可降解材料，彼此各不相同，但背后却是同一类“生产工具”——微生物或酶。很早以前，人类就已经借助微生物或酶来酿酒、发面、制酱等。但在很长时间里，人们只是“顺其自然”，凭经验挑选、凭运气改良。现在，科学家们正瞄准新需求，有目标地设计、改造生命系统。想要了解生物制造这一未来产业，首先要认识合成生物技术。

什么是合成生物技术

以酿酒为例，人们从大自然中挑选酵母，给它糖和适宜温度等条件，让天然酵母把糖变成酒，利用的是生物的天然本领。天然酵母的本领是由其基因组中的遗传物质决定的，这就是“种瓜得瓜，种豆得豆”的原理。

合成生物技术是通过对生物体遗传物质进行设计、改造乃至全新合成，创造新性状、新功能、新用途生物的技术，生产的是我们需要的新物质和新产品。生物的基因组携带的遗传信息，是生命活动和运行的指令集。设计、合成一个基因，就是改写指令集中的一条指令，而全基因组设计与合成，就是编写一本全新的指令集，它是构建合成生物、集成复杂功能的重要底层技术。

合成生物的过程需要反复调试，背后是“设计—构建—测试—学习”的循环：先设计方案，再把DNA（脱氧核糖核酸）序列组做成功能元件装进细胞；观察其是否按预期目标运行，让测试数据返回初始设计模型，再进入下一轮循环，不断迭代、不断修正编码程序。这个过程的工作量巨大，自动化和人工智能技术赋能，为合成生物过程带来新的“加速度”。

把细胞建成“微型工厂”

合成生物技术能做什么？一个重要方向是让细胞成为“微型工厂”，科研人员先确定想生产的物质，再选择合适的底盘细胞和生物元件，设计一条代谢路线。细胞吃进原料，在酶的作用下逐步加工，最终生成目标产物。如果把生物代谢通路想成城市道路，改造细胞工厂就是开辟新路、拓宽窄路、关闭岔路，让更多“车流”驶向目标产品。

合成生物技术不仅能让细胞“生产东西”，还可让细胞“完成任务”，形成具有感知、判断和响应能力的功能细胞。这就好比给细胞装上传感器、控制器和执行器：先识别环境信号，再由基因回路判断并作出响应。例如，可探索让免疫细胞识别特定标志后启动作用，或让工程菌感知肠道信号后释放分子。

依托上述技术能力，合成生物技术可用于药物成分、营养成分、工业酶、生物材料及污染物降解等方面研究，并不断拓展出新的应用场景。在医药、农业、能源、材料、环境等领域，合成生物技术能够广泛服务于人类生产生活日益增长的新物质需求，形成产业出口。此外，未来在极地、深海、太空等物资运输条件受限的特殊环境，合成生物技术也可能发挥重要作用。

如何从设计图走向生产线

从一张设计图到一条生产线，合成生物技术要跨过的不只是“放大”这一关。在实验室里，科研人员可能只培养一瓶工程细胞；在生产车间，要让同一套基因回路在几百升、几千升甚至更大的反应器中持续工作，困难重重。温度、酸碱度、营养和氧气稍有差异，就可能改变细胞的生长状态，原本顺畅的代谢通路也可能“堵车”。

生产出目标物质也不等于得到产品，还要把它从培养液中分离出来、提高纯度，并保证不同批次质量一致。有时，细胞生产并不难，后续分离纯化反而更重要。小试之后还要经过概念验证、中试、检验检测和工艺优化。中试一头连着基因和细胞设计，一头连着装备、质量、成本和市场，用来发现实验室里看不到的问题。就像一座城市，“摊大饼”式发展并不难，难在精细化管理，生物合成规模化生产也必须集多种技术于一体，精心控制、循序渐进。

合成生物技术的竞争不是单个基因、菌株的竞争，而是全链条全体系能力的竞争。生命科学、信息科学、自动化装备、工程放大和标准治理环环相扣，共同构成创新链。我国拥有完整产业体系和较强工程组织能力，同时要补齐底层原理、关键软硬件、生物数据标准和工程转化等短板。

不断拓展“可设计”的边界

合成生物技术的前沿探索，将不断拓展“可设计”的边界。