新知｜细胞工厂，万物皆可“造”？揭秘神奇的“微生物打工仔”

主笔、视频制作：于梅君

世界上的工厂千千万万，但你见过“细胞工厂”吗？在这里，生产车间里忙碌的不是“打工人”，而是一个个用显微镜才能看清楚的细胞，它们不吃不睡，兢兢业业生产出人类需要的高价值天然产物。今天，就让我们一起走进“细胞工厂”，见识一下那些神奇的“微生物打工仔”。

细胞里建工厂？科学家打造了一个奇幻世界

今年《政府工作报告》提出，加快发展新质生产力，积极打造生物制造等新增长引擎。而蓬勃兴起的“细胞工厂”，正在为发展生物经济释放出巨大潜力。

所谓“细胞工厂”，是指科学家将生物细胞设计成一个个“加工厂”，以细胞自身的代谢机能作为“生产流水线”，以酶作为催化剂，通过计算机辅助，设计高效、定向的生产路线，并且通过基因技术，强化有用的代谢途径，从而将生物细胞改造成一个个 “超级工厂”。

它为人类打开了“一切皆可造”的想象空间。比如，只要一个细胞，就能推动各种人造动物肉生产，不需要适配血型，还能长期保存、随取随用人造血。再比如，以玉米等植物为原料，合成更轻量、可回收的基建材料。它还能让稀缺用药，成为普通人买得到、用得起的好药。

“细胞工厂”与我们平常熟知的工厂一样，具有不同生产阶段的车间，即微生物的细胞器等。但“细胞工厂”的本质，又区别于一般工厂。有时，细胞工厂可能只是由一类微生物组成，并不具备完善的流水线工程。

如今，在科学家设计下，秸秆、木薯、蓝藻等生物质原料，通过微生物细胞工厂的作用，可转变成丁二酸、甲烷、乙醇等化学产品，为化学工业体系提供原料。

“细胞工厂”能够以可再生的生物质资源，替代不可再生的化石资源，以清洁生物加工方式，替代化学加工方式，具有节能、环保、高效、可持续的特点。

可以说，继医药生物技术、农业生物技术之后，工业生物技术成为国际生物技术发展的“第三次浪潮”。

据世界经济合作与发展组织预测，到2025年，合成生物学与生物制造的经济价值将达到1000亿美元，到2030年，35%的化学品和其他工业品，将出自工业生物技术，每年可降低25亿吨二氧化碳排放。未来全球60%的物质生产，可通过生物制造方式实现。

在这个已“鸣枪起跑”的生物经济新赛道上，通过“细胞工厂”合成生物，或可解决人类食品短缺、能源紧张、环境污染、医疗健康等方面问题，对全球可持续发展至关重要。

吃空气产万物，“蓝藻工厂”走入现实

“我们打造的是以阳光和空气为原料的‘细胞工厂’，使用基因编辑等合成生物技术，改造光合微生物蓝藻，利用蓝藻繁殖速度快、光合作用效率高的特点，规模化生产特定物质。”上海交通大学生命科学技术学院特别研究员倪俊介绍。

以化妆品中常用的天然活性抗氧化成分——“白藜芦醇”为例，在葡萄、花生等植物中，“白藜芦醇”含量通常不足万分之一。使用“蓝藻工厂”后，每生产一吨“白藜芦醇”，可相应缩短生产周期240倍，节约土地72750亩，吸收二氧化碳超过2000吨。

“我们可以随心所欲改造蓝藻，引入不同植物的代谢途径，就相当于把蓝藻变成‘人参’‘葡萄’等植物。”倪俊说，“从理论上说，只要是自然界植物能产生的物质，都能用‘蓝藻工厂’来生产。”

改造蓝藻的过程并不复杂，第一步是明确想得到什么物质，比如某种材料分子或药物分子。然后分析这种物质在植物中的代谢路径，将路径中需要的每一个基因，都编辑到蓝藻中去。

简单来说，就是利用“基因剪刀”，把相关基因片段剪辑下来，再插入蓝藻细胞的基因序列中，蓝藻细胞就具备了合成这种物质的能力。

这些改造过的蓝藻细胞可快速繁殖，只要有空气和阳光，就能生产出葡萄糖、甘油、姜黄素、白藜芦醇等各类物质。

世界上的微生物千千万万，为什么会想到改造蓝藻？倪俊解释，有“植物祖先”之称的单细胞生物蓝藻，能表达几乎所有植物源的基因，而且内部结构非常简单，便于改造，还可以直接利用太阳能，驱动二氧化碳来合成产物。

如今，蓝藻“细胞工厂”已不再局限于实验室，而是真正搬进了工厂，产出了“香料之王”香兰素、天然活性抗氧化成分白藜芦醇、生物基可降解塑料聚乳酸……目前，倪俊团队正在建设一条产量约10吨的规模化生产线，用来生产高附加值产物。

未来我们吃的“肉”，可能是微生物造的

肉类是我们获取蛋白质的主要来源之一，随着人口增长、城市化进程加快，全球植物蛋白和动物蛋白人均需求量显著增长。因此，人类一直在寻找替代蛋白，以制造出健康又环保的“肉”。

目前替代蛋白主要有三类：植物蛋白、细胞蛋白、发酵蛋白，其中发酵蛋白最具发展前景。

“发酵蛋白也叫微生物蛋白，是一种以葡萄糖、淀粉、糖蜜、合成气、二氧化碳等为底物，在细胞工厂，利用微生物发酵方式生产的蛋白。”中科院天津工业生物技术研究所李德茂研究员介绍，发酵蛋白中的蛋白含量高达40%—80%，且不含胆固醇，对心脑血管疾病患者更加友好。

利用发酵蛋白制作的鸡肉，在口感、香味等方面的仿真度，可达85%左右。

“微生物发酵生产蛋白的速度，是植物的500倍，是动物的2000倍。”李德茂介绍，一亩大豆田每年可收获约130千克大豆，获得52千克植物蛋白。而利用100吨发酵罐进行微生物发酵，一年能生产近100万千克发酵蛋白。

此外，发酵蛋白转化率也较高。通过微生物发酵方式，利用1千克淀粉，可以生产出190—200克蛋白，然而用1千克淀粉喂养家禽、家畜，仅能分别生产出47克和14克蛋白。

相比而言，细胞蛋白生产虽不受原料限制，但培养条件苛刻，科研人员需要从动物体内提取干细胞，并利用血清等多种营养物质“喂养”，使其不断“成长”，因此生产成本较高。

“目前，发酵蛋白也有应用于饲料和医疗领域的潜力。”李德茂介绍。国际上，发酵蛋白食品也层出不穷。英国一家公司利用发酵蛋白技术进行食品开发，先后上市了健身蛋白粉、发酵蛋白“肉”汉堡、香肠、肉卷等产品。

美国一家公司则利用微生物来制造乳清、酪蛋白等，模拟出真正的牛奶，并推出首款生物制乳蛋白冰淇淋。

“具有特殊功能的发酵蛋白，也可应用在医疗领域。”李德茂表示，人们未来可以开发生产具有特殊功能的发酵蛋白，例如富硒蛋白，可同时发挥蛋白和硒的功能作用。

新型酵母“细胞工厂”，有望取代传统农药和添加剂

“好一朵美丽的茉莉花，芬芳美丽满枝桠”，这是许多人都熟悉的歌词。这几年茉莉备受人们喜爱，有商家将茉莉花串成手链，也有商家将茉莉花放入奶茶、豆浆中作为佐料。

如今，在中科院深圳先进技术研究院汤红婷研究员手中，“茉莉”不再以花朵形式存在，而是以化合物和气味的方式存在。

不久前，她和同事在酿酒酵母中，合成了植物激素“茉莉酸”，首次构建了可用于合成茉莉酸类化合物的“酵母细胞工厂”。

众所周知，酵母是一种微生物，它们喜欢吃糖和淀粉，通过发酵的方式，产生能量和乙醇。我们平时做面包、葡萄酒和啤酒都离不开它们。

在汤红婷的研究中，她将酵母作为一个理想底盘，来构建各种属性的细胞工厂。比如，利用酵母的生物合成能力，将二氧化碳和纤维素等廉价碳源，转化为高价值产物；利用酵母来生产重组蛋白，用于食品、能源、医药等领域。

正是在酵母的帮助下，汤红婷和同事合成了茉莉酸等天然产物，也合成了糖类化合物和乙醇等能源物质。

茉莉酸是植物天然激素，很有潜力取代传统农药，通过调控植物的生长和品质，提高对病虫害的抵抗力，从而减少农药的使用量。因此，茉莉酸类化合物是“绿色农药”的重要候选分子。

此外，凭借独特的茉莉花香味，茉莉酸类化合物还可作为香料，用于食品和化妆品中，增添迷人的花香。

随着合成生物技术不断发展，未来利用酵母，可以高效合成茉莉酸类化合物，并能实现工业化生产，从而带来广泛的应用前景。

汤红婷表示，看似只是关于小小茉莉的成果，其实背后蕴含着绿色生物制造的宏大命题。想实现“绿水青山”这一目标，绿色生物制造是其中一项重要路径。

知多一点

“细胞工厂”破解白色污染难题

据统计，2015年至2023年，全球塑料产量从3.2亿吨增至4.3亿吨。2022年，我国废塑料产量超6000万吨，其中仅1800万吨实现回收利用。 随着我国《“十四五”生物经济发展规划》的出台，生物降解塑料，被视为解决白色污染的最新方案。 生物降解塑料PBS，便是利用“细胞工厂”制造出来的成功代表。科学家以秸秆为原料，创建出大肠杆菌“细胞工厂”，进而生产出“丁二酸”，可用于制造PBS。 天津工业生物所所长马延和介绍，这种方法让生产丁二酸的成本大幅降低，二氧化碳排放量下降94%，使未来PBS生物塑料的大规模应用成为可能。 清华大学科研人员则通过改造嗜盐菌，让其在餐厨废弃物水解物中生长，从而生产出生物降解塑料PHB，包括PHB在内的PHA，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能够在有氧和无氧条件下实现生物降解，是可以完全降解的新型生物材料。目前，我国已走在全球PHA产业化的前列，规划产能超过10万吨。 这也为餐厨废弃物资源化利用，提供了一个全新途径。相比普通塑料动辄上百年的降解周期，PHA制品进入海洋后，约1—3年即可实现完全自然降解。同时，纯PHA制品对海洋和陆地动物无害，即使食用也没有大的伤害。