量产决定生死，与清华陈国强聊聊合成生物学的未来

经纬科创汇合成生物学专场又与大家见面了，我们邀请到了学界与业界的资深专家，以及行业投资人与创业者来进行交流。

本篇是我们合成生物学系列的第4篇文章，访谈对象是清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强，陈教授长期从事“微生物和生物材料”的研究，在国际学术期刊上共发表微生物技术和生物材料相关论文300多篇，开发的技术已经在数家公司用于大规模生产微生物塑料聚羟基脂肪酸酯PHA。

我们与陈教授探讨了合成生物学在发酵生产中的常见问题、如何选品，以及一些新的技术突破。

如何突破大规模量产的问题？

如何选品？

最近有哪些里程碑式的技术突破？

合成生物学的当下和未来

01、如何突破大规模量产的问题？

经纬：合成生物学发展了很多年，相比于上一波企业的失败案例，后来哪些环节的改进，让今天的合成生物学跟以前不一样？

陈国强：首先得明确一下基因工程、代谢工程与合成生物学这些概念，我自己的理解是，基因工程一般是对一两个基因进行表达优化，代谢工程是对整条代谢通路进行优化表达，基因工程是点，代谢工程是线，合成生物学则是面，对多个方向进行修改、优化，当然在面这个层面，修改的东西就多了。

在上一波案例里，前面的构建-测试-学习-再设计环节，是用合成生物学的方法在做，但最终需要通过发酵来大规模制造，不管终端产品是人造肉、药物，还是化工品、护肤品，做这些小分子都需要通过发酵，在大规模制造的过程中就遇到了工艺放大的问题。

以前业界喜欢用大肠杆菌、罗氏杆菌、芽孢杆菌等容易操作的底盘菌去做，但在工艺放大的过程中，经常会遇到染菌问题。比如哪里漏了，或者过滤出了问题，外面的菌种就会进来，污染整个体系，最终导致转化效率下降，甚至不得不倒罐。

我自己的创新就是用一个新的底盘细胞——嗜盐菌。嗜盐菌本身也需要做很多表达系统的改造，它的优点是在大规模发酵时不会染菌。有了这个底盘菌，加上合成生物学的技术迭代，后续的其他环节会更加顺利，这是非常重要的前提保证。

在学术界，很多突破是在上游，例如菌种设计和筛选。而对于发酵工艺环节，没有获得足够重视。对于产业界，能否量产决定生死。发酵做不好，菌种再好最终还是会失败。

菌株筛选是在很小规模的培养试管或平板里做，但量产就需要放大，从几升放大到几千升、几万升，再到几十万升，所以必须得踏踏实实做，一步一步来，没有捷径可走。

经纬：我之前看到一些合成生物企业在大规模生产生物燃油中，最后的转化率并不高，因为对压力、温度都很难精确控制，以及过程中产生了很多乙醇，但是又没有办法及时排出去，这些因素的叠加让很多菌死亡了。这些方面的控制不力，是这些合成生物企业当初失败的重要原因。您怎么看待这里面的失败经验？这些生产瓶颈现在能得到解决吗？

陈国强：你说得对，一些合成生物企业在上游的菌种筛选方面，都做得非常好，有高通量的筛选方法，但是必须要在小试、中试到大规模生产这方面下功夫。要想最终成功，没有多年的积累，包括不同规模的工艺优化，一切都不太行，过程放大不会一蹴而就。

这方面需要经验积累，对于新菌种、新底盘、新产品，需要去研究他们的特性，因为一旦放大生产，对压力、温度等等各种精细的调控，难度系数会成倍数增加。当然，如果用一些更合适的底盘菌，比如后续不需要灭菌操作的嗜盐菌，会容易很多减少不少困难。我们现在用嗜盐菌除了生产材料之外，也可以做其他小分子产物，我觉得这会给发酵工艺带来一场革命。

经纬：您除了在学术界，也一直有参与产业界，您在大规模生产中有没有踩过什么坑？

陈国强：当然有的。我做了几十年可降解塑料PHA，经历过很多。我们以前在实验室做的时候，最初各方面指标都很漂亮，就是成本还有点高，期望能通过规模化生产来降低成本。

我们也找了一些工厂合作，规模很快上去。但在放大生产的过程中，因为微生物的密度变高，也需要配套采用一些特殊技术，以及控制发酵温度、时间、溶氧和杂菌污染等等。此时，微生物密度高就带来了几个问题，包括培养时间变长、染菌的几率变大等等。染菌是比较麻烦的，因为需要大量使用空气，过滤系统就会压力很大，可能有一些外界的微生物跑进整个罐内体系里，引起染菌。

我们当年尝试过模拟的方法，但在实验室其实很难模拟出真正的工业环境。我们在工业上操作嗜盐菌有8年了，发现了各种各样的问题，每一次都要跑回实验室来优化微生物的基因回路，以及对代谢通路进行改造，最终才有可能成功，很难越过这么一个反复优化的过程。另外还有对技术人员的培养，从实验室到工业需要有实战经验的工程师。总之我想强调的是，任何一个新技术从实验室走向产业界，一定是需要有五年、十年，甚至十五年的周期来发展，不可能一蹴而就。

02、如何选品？

经纬：我们刚刚一直在聊工业级别的生产，那在选品层面，您觉得需要考虑哪些因素？

陈国强：选品的确是非常重要的。一些发酵生产的传统产品，例如氨基酸、抗生素、维他命，国内已经做到炉火纯青了，厂家特别多，产量也特别高。所以如果你的选品是在已经成熟的市场，市场大竞争者多，那就非常不容易，需要有特别大的技术突破。

在化工领域，替代机会比较多，例如我们在做的生物可降解材料，也是用合成生物学的方法来做，没有有机溶剂、没有高温高压，整个过程只需要非常温和的条件。但因为更加绿色、嗜盐菌技术为基础的下一代工业生物技术，制造成本也不太高，应用前景比较广阔。

如果能研发出新产品，比如大麻二酚这些可以药用的产品，原来市场里产量特别少，附加值特别高，处理好监管问题，就大概率有很好的前景。

总体来说，选品思路就是两种，一种是选单品价格高，目前市场规模小一些；另一种是选单品价格低，但是整个市场规模非常大，需求很高的。用新的技术突破，去替代或是与传统化工方法更高效地结合。

经纬：您做的生物可降解PHA材料，它在未来能够替代市面上从塑料袋到一次性饭盒，以及包装袋等等，您当初做PHA的思路是什么？

陈国强：生物可降解材料里，一直有几个参与者，除了PHA还有PBAT、PLA，它们也都有对应的市场。PHA可以和PBAT、PLA互补，比如PBAT是当下量特别多的材料，但降解比较慢一点，如果能加一些PHA，降解就能更快。PLA的性能比较刚，如果加了PHA能让它更有弹性，用途也会更广。所以这些材料是互补的，如果未来能通过大规模制造来降低成本，令普及率变高，对环保也是很好的。

PHA现在的问题是，碳转化率还有点低，所以制造成本比较高。现在我们通过合成生物学的办法，试图提高PHA的转化率，包括尝试把二氧化碳固定下来转化为PHA等等。我们希望未来能把PHA的成本，降低到和PBAT、PLA一样的水平，这个材料才能真正发挥出市场和应用潜力。

在生产层面，PHA的整个制造过程是在水里进行的，不需要高温、高压，这个过程对环境也很友好，它甚至可能是未来制造的一种模式，会有很大的促进作用。

经纬：之前投资圈有一种分类，把一些用传统办法筛选菌株的合成生物学公司，归为第一代公司（例如凯赛华恒），把用计算机算法等自动化方法筛选菌株的，列为第二代公司（例如Zymergen、Ginkgo），他们可以更大规模和探索新菌株，这种观点会认为更大的前景在第二代公司，您怎么看？

陈国强：这些平台公司提供了一个高通量筛选的平台，包括有些产品很难用肉眼分辨，要用紫外线或是一些射线来分辨。有了这种自动化平台，可以快速检测出微生物产生的产物，这些自动化设备可以做到每天筛选百万级。

但像我们在实验室里做，因为没有那么多的钱和人，我们采用另外一种方式——压力筛选。例如当需要筛选一些嗜盐菌，我们一般是采用一个压力，比如把盐的浓度降到与一般的培养基一样，让微生物在合适的低盐环境里筛选，最后通过自然进化也能成功，有时候的效率甚至比平台还高，因为它看得见，且容易控制筛选的压力。比如通过十克每升的盐做一个筛选，海水一般是30-60克每升的盐，一个摇瓶做下来筛选十亿个，可能就只有一个活下来，但这个筛选效率已经挺高的，时间周期也不长。

经纬：从当前国内外最新的技术进展来看，您觉得哪些核心突破，能带动整个合成生物学进入到下一个阶段？

陈国强：我觉得有几方面。最容易的可能就是在微生物生物制造这块，因为对微生物进行基因操作是很快的，资金到位的话，比植物、动物来得快很多，也没有太多伦理问题。特别是在微生物发酵生产新材料这一块，一些小分子化学品、高分子、中间体等等，会有比较大的发展。像凯赛在做的戊二胺，它是一种尼龙的中间体，需求量比较大，附加值也不低，潜力很大。

在药物方面，因为审批过程比较久，除非是像新冠疫苗这样的特殊情况，可以快速上临床。而其他的动物、植物相关领域，要真正落地到产业界，需要的时间会比较久。

03、最近有哪些里程碑式的技术突破？

经纬：从技术角度来看，您觉得最近3年多的维度内，合成生物学有哪些里程碑式的技术突破？例如很多年前像CRISPR Cas9算是里程碑式的突破。

陈国强：令我记忆深刻的有几例。第一个是中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所覃重军课题组，他们把酵母的16条染色体合成一条，这个酵母还能活着，这也是人类首次通过实验手段，系统地、大规模地改造一个物种的染色体数目。

酵母是一个天然的生命体，基因一生出来就是16条，但是现在通过技术变成了1条，并且还活得好好的。在动物身上，未来是否会有相关的改造？比如目前肉类的转化率中，鸡肉是最高的，那可不可以通过基因编辑，让牛肉的转化率也变高，是不是就解决了未来肉类供应不足的问题，当然这里面涉及复杂的伦理问题。

酵母染色体融合的策略

以及对于一些珍稀的动物，比如说熊猫繁殖得慢，是不是可以通过基因编辑的方法，让它更容易成长，这些在未来都是可以憧憬的。

未来的植物，比如说水稻在东南亚可以收3-4个季，但在中国最多两季，是不是通过基因编辑方法，使水稻可以收4个季，那么粮食问题就容易解决了。

甚至更进一步是人的寿命，受端粒酶控制。那如果对端粒酶缩短的过程进行调控，人的寿命是不是可以延长，这些都是基因编辑可以想象的目标。

第二个技术突破是中科院天津工业生物技术研究所，他们用二氧化碳与氢气先合成甲醇，然后用从甲醇出发体外合成淀粉，并且重新设计了转化路径，只需要11步。这里面也用到了合成生物学的办法，体外设计和构建酶的转化路径。

大致可以分为四个模块，首先把二氧化碳和氢气用无机催化剂还原为甲醇，然后将还原的甲醇转换成为三碳，然后将三碳合成六碳，最后再将六碳聚合成为淀粉。从甲醇到淀粉的过程，是多步的体外合成过程，令人印象深刻。

第三个突破，像我们在做的用嗜盐菌代替传统底盘细胞，使整个微生物发酵中不会染菌，在未来可能对工业生物技术会有一个比较大的影响，会让发酵变得更加简单，放大生产也少了很多风险，我认为也是重大突破之一。

还有一些新技术也是令人印象深刻的。例如中科院深圳先进院和天津大学的一个合作课题，他们把DNA拿去做信息储存。如果未来能够把成本降低，这将是更加有效的储存手段。以及中科院先进院用模型来预测微生物的生长方式，这种理论方面的突破，也是令人印象深刻的。

04、合成生物学的当下和未来

经纬：从国家战略的角度来说，无论是中国还是美国，都把合成生物学提到很高的战略地位。您觉得未来1-3年，有哪些方面的进展能令合成生物学再上一个台阶？

陈国强：我们国家在生物学方面培养了很多学生，但生物这一行是见效比较慢的，因为生命里有很多随机的东西，最终很多人并没有从事生命科学。但我们国家在人才储备方面，其实是充足的，现在很多创业公司出现，投资基金也进来了，要想发展起来也是会挺快的，再过五年、十年，中国在各个生物制造领域，会达到世界一流水平。

如今的一些新建设，例如深圳先进技术研究院的合成生物学大基础设施就非常好，它给全国的从业者提供了一个平台，为全行业节省了时间和资金，它对未来国内合成生物学的发展应该非常有帮助。

未来非常重要的一点是，在某个大众领域出现新的爆款产品，它能使家家户户都切实感觉到，合成生物学在解决大众的问题。当然现在大家很熟悉的氨基酸、维他命、抗生素，很多都是这样生产出来的，但大家可能不太有感觉。未来在新材料这一块，当大家看到合成生物学做出了非常实用的新材料，可能会让大家有感觉。无论是通过PHA材料来解决白色污染问题，还是未来通过基因编辑植物或者动物来解决粮食和蛋白的缺口，以及药物的微生物生产，特别是mRNA疫苗，合成生物学会有越来越高的社会影响力。

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