合成生物学改变世界？Nature子刊盘点6大产品

77 2020-12-19

合成生物学家开发更多应用的时机已经到来。

合成生物学作为生物科学的一个分支学科，其应用前景非常广阔，也是未来推动时代发展的重要技术手段之一。

近期，Nature Communication 杂志发表文章展望了合成生物学的未来，该文选择了最能彰显合成生物学技术快速发展和价值的6款产品进行了重点介绍。这些产品有些已经上市，有些将于 2021 年上市。其中前 3 款产品是由工程细胞或工程酶经生产所得产物，后 3 款是将工程细胞直接作为产品进行使用。

在本文中，我们将基于该文简要介绍这 6 款产品。

产品1：

不可思议的植物汉堡

或许你已经吃过各种口味的汉堡，鸡肉味的，牛肉味的，甚至可能还有鳕鱼味的。但是你听说过血红素（Heme）味的汉堡吗？这听起来或许很不可思议，但是全世界已经有超过 30000 家餐厅和 15000 家杂货铺在供应这类汉堡了。

Impossible Foods 公司的科学家们正在利用毕赤酵母生产大豆血红蛋白（soy leghemoglobin），并将其添加到植物汉堡中，以提高肉质口感和风味。相比牛肉汉堡，通过这一方法生产的植物性汉堡所占用的土地更少，产生的温室气体也更少。

无疑，合成学技术推动了代谢工程的进步。目前，这一技术已经被应用于食品添加剂的生产、疫苗研发、农业病虫害防治等领域。未来，通过合成生物学和生物信息学等技术的结合，对酶进行定向改造，我们将会创造出更多发酵友好型通路，实现更多物质的批量化生产。

产品2：

默克研发的糖尿病药Januvia

Januvia（sitgaliptin）是治疗糖尿病的常见药物，但是这种药物的制造如果仅靠化学反应的话难度非常大，因为需要重金属和高压环境。但是利用合成生物学方法，可以改进其制造条件。

这一技术主要是以来自 Arthrobacter sp. 的（R）选择性转氨酶为基础，并利用计算机工具设计方法来“打开”新基底的结合位点，随后通过定向进化方式提高产量并实现纯度＞99.5。除了糖尿病药物的制造外，这种方法还被应用到HIV抗病毒药物 islatravir 的制造。

这些利用生物学制造的分子会让化学家们羡慕不已，或许，生物学才是终极化学。说不定，未来，化学和生物化学的结合将对药品、消费品及农用化学品等各领域产生革命性影响。

产品3：

Zymergen制造的电子薄膜Hyaline

Zymergen 公司利用源自生物的单体来制作聚酰亚胺透明薄膜 hyaline，这一系列薄膜清晰、柔韧性好且牢固，适合应用于折叠式智能手机、穿戴式电子产品等柔性电子产品。相关产品有望于 2021 年面世。

那么这些薄膜是如何得到的呢？这类薄膜主要由工程生物生产得到的二胺单体制作而成。其中所涉及的工程生物是通过一套机器人来并行构建数百万株菌株并通过不断试错优化而得到的。

生物材料来源已久，但是利用基因工程方法对细胞重新编码，设计并制造新材料仍非易事。不过，当前涌现出越来越多的生物材料。除了制造薄膜材料，合成学技术已经被成功用于生产石油产品的绿色替代品、光伏电池的纳米材料等。

产品4：

Pivot Bio制造的生物氮肥PROVEN

氮肥作为提高作物产量的重要肥料，通常是通过直接施加化学氮肥或采用生物固氮方法使作物吸收氮元素。然而相比化学氮肥，生物固氮的优势更明显，也更符合可持续发展目标，如减少环境污染，减少温室效应等。但是，对于玉米、小麦等谷类作物，生物固氮的方法难以实现。

Pivot Bio 公司以γ变形菌（KV137）为基础，首创适用于玉米作物的生物氮肥。不过在这过程中也浮现出了一个问题，那就是这一变形菌内所包含的固氮基因往往会在最需要的时候处于休眠状态。为了解决这一问题，科学家利用合成生物学技术“开启”固氮基因，重塑 KV137 基因组。

利用合成生物学技术进行基因组编辑，并将工程菌引入生态系统的方法还可以应用到其他地方，比如保护蜜蜂免受病虫害，阻止蚊虫疟疾等，当然我们还可能可以利用工程益生菌给鸡接种疫苗。

产品5:

癌症细胞疗法Kymriah

将工程活细胞用于医学治疗被视为继生物制剂时代之后的“医学第三大支柱”。

诺华公司开发的 Kymriah（Tisagenlecleucel）是第一个经 FDA 获批的细胞疗法。其原理是提取、分离患者的T细胞并进行基因改造，将慢病毒引入患者T细胞，得到能表达嵌合抗原受体（CAR）的 CAR-T 细胞，随后重新引入患者体内。

这类细胞可以在患者体内存活数年，甚至数十年。这一细胞疗法可靶向癌细胞上的 CD19 抗原，对复发或难治性疾病患者的治疗缓解率可高达 83%。

然而第一代的 CAR-T 实际上是有缺陷的：靶向单一癌症抗原可能产生脱靶毒性，而且如果抗原突变，疗法就会失效。因此，要使这种细胞疗法保持高效，需要同时掌握“遗传电路”设计和基因组编辑方法，因为这两者的有效结合能够保证 CAR-T 在时间和空间上的活性。同时，这两项技术也是控制治疗活细胞在时间和空间上的精准活跃性的关键。

当前，正在通过这两种技术来建立更有效的 CAR-T 疗法。

产品6：

Calyxt研发的高油酸大豆油Calyno

Calyno 公司的高油酸大豆油是第一款进入美国食品供应市场的基因编辑大豆油。不同于普通大豆油，Calyno 富含 80%油酸，且富含亚油酸少，更健康。这是由于 Calyxt 公司利用基因编辑对大豆基因组中的两个脂肪酸脱饱和酶基因进行灭活以减少亚油酸生产，提高油酸含量。

在此过程中所采用的基因编辑方法是使用转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs），该方法用于切割目标 DNA 序列。因此，仅仅只会对 DNA 序列进行删除，而不涉及到 DNA 重组，所以该产品在美国的监管要求比较低。

目前，该产品已于 2019 年上市，并在批量种植生产。

未来，利用基因编辑技术生产的产品将会越来越多，尤其是农业和医药领域，其方法也不仅限于 TALENs 这些早期方法，还有 CRISPR/Cas9 等先进手段。

我们正处于创新的风口。难以想象十年之后，也就是 2030 年，将会出现多少利用合成学生物的新产品。但是毋庸置疑的是接下来的十年中，将会有更多的产品得益于合成生物学技术。