生物制造：以生命为动力的未来工厂（院士讲科普）

谭天伟

图①：生物制造流程示意图。 图②：生物航煤样品。 图③：生物基塑料样品。

自动化高通量菌种筛选设施。 本版图片均为北京化工大学提供

网友：最近，生物制造成了热词。我很好奇，什么是生物制造？它如何改变我们的生活？

编辑：当前，新一轮科技革命和产业变革深入发展，以生物制造等为代表的新兴产业成为我国培育发展新动能、打造发展新优势的重要领域，正在悄然改变着我们的生产与生活。本期“院士讲科普”，我们邀请中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟，谈谈生物制造如何智造未来。

“有生命的工厂”开辟新的制造路径

说起“制造”，人们通常会想到机器轰鸣、机械臂舞动的钢铁工厂。然而，有一种“制造”却截然不同，是“有生命的工厂”——这就是生物制造。

所谓生物制造，就是利用微生物、动物或植物细胞等生命单元，通过设计、改造、控制它们的代谢路径，生产人们想要的物质。简而言之，生物制造就是让生命来“造东西”。

比如，传统发酵技术是让酵母生产酒，而利用现代生物制造技术，科学家可以让它生产药物分子、香料、塑料甚至燃料。可以说，生物制造是传统发酵产业与合成生物学的结合，它不再依赖石油、煤炭等，而是以糖、秸秆、二氧化碳等可再生资源为原料，生产人类日常生活所需的材料和化学品。

生物制造之所以被称为未来产业，在于它不是对传统产业的延展，而是另辟了一条以生命为动力的制造路径。这条路重要在哪里？

首先，生物制造是助力实现“双碳”目标的关键技术抓手。传统制造业以石油、煤炭等化石资源为基础，而生物制造用的是糖、淀粉、二氧化碳等可再生资源。微生物在生物反应器中“吃”掉这些原料，代谢出高附加值产品，实现了“以生替化”“以碳养碳”。

其次，生物制造的原料更广泛、过程更绿色、生产更智能。生物制造用生命的智慧取代一般的工艺流程，让工厂更像“生态系统”，制造过程更高效、智能。例如，二氧化碳可被转化为燃料和化学品；农作物秸秆能被“吃”成可降解塑料；菌种可生产药物、香料、纤维。

更重要的是，借助人工智能与合成生物学，科学家可以“编程生命”：像写代码一样设计微生物的基因，让其按照人类的需求生产特定分子。这种“可编程制造”，让生物制造释放更大的潜力。

根据相关机构预测，到2050年，全球约60%的工业产品可通过生物制造生产。生物制造未来产生的经济价值或将超过30万亿美元。

我国正加快布局生物制造产业。2024年《政府工作报告》提出积极打造生物制造等新增长引擎；“十五五”规划建议提出“前瞻布局未来产业”，推动生物制造等成为新的经济增长点。如今，我国在发酵产能、产业规模、工程化经验等方面已具备领先优势，有望在这场未来产业的发展中占据重要位置。

生物制造改变了传统生产的逻辑

如果说工业革命让机器替代了手工，那么生物制造就是让生命替代机器。生物制造正融入我们生活的方方面面，并悄然改变着生产的逻辑。

在实验室里“种”肉、在发酵罐里“造”蛋白，这听起来像科幻，但已成为现实。通过细胞培养和微生物发酵技术，无需通过养殖，即可培育出口感和营养都与真正肉类相似的“细胞肉”。这种生产方式不仅节约资源，还能显著减少甲烷排放，为粮食安全和生态平衡提供了新方案。此外，微生物蛋白、合成乳制品、植物基食品等新型食材也正被摆上餐桌。

时尚产业是碳排放大户，生物制造则为“绿色时尚”提供了可能。科学家已能让细菌“吐出”丝蛋白，做成柔软耐磨的生物丝绸；藻类和真菌能合成可降解纤维，替代聚酯、尼龙等石化纺织品。一些品牌正尝试用菌丝皮革制作包袋、鞋子，这种“会呼吸的皮革”无需使用动物毛皮，且能被自然降解。

在建筑领域，科学家利用“生物砖”技术，让真菌菌丝和矿物颗粒结合，形成坚硬、轻质的砖块。这些砖在潮湿环境下能自我修复、吸收二氧化碳。再配合生物基涂料、生物胶黏剂，未来的建筑或将成为“绿色生命体”，既环保又安全。

未来的汽车、飞机，可能用上“二氧化碳做的油”。某些特殊菌种能“吃”二氧化碳、“吐”出乙醇或航空燃料。目前，我国已实现生物基航空燃料的商业试飞。此外，生物制造还能生产高性能润滑油、轮胎橡胶等材料，让交通出行实现绿色化。

在医学领域，生物制造正在重塑药物的生产方式。过去需要几百个工序才能合成的药物分子，如今微生物几天就能完成。更先进的合成生物学还能让细胞生产个体化药物，如CAR—T细胞疗法、基因编辑药物、重组蛋白药物等，让治疗更加精准、高效。未来，医生或许能直接在医院里“打印”药物和组织器官，提供个性化医疗。

构建自主可控的技术底座是难题

挑战一：补齐底层能力，创新体系亟待突破。生物制造的重点在于“设计生命”，这需要强大的底层能力：基因编辑工具、菌种设计算法、酶工程技术、代谢路径数据库等，但这些是目前我国相对薄弱的环节。核心菌种仍多依赖国外资源；关键酶和生物反应器部分零部件尚需进口；工业级生物信息数据库尚未完全建立。要实现真正的“生命智造”，必须攻克这些基础性难题，构建自主可控的技术底座。

挑战二：科研成果产业化落地存在困难。很多生物制造技术在实验室里已经成熟，但在产业化过程中却卡在中试阶段。生物反应过程极其复杂，菌种在小试时活跃，到大规模发酵罐中却“罢工”；成本控制、稳定性、安全性等也是经常面临的问题。目前，我国正在加快建设国家级中试验证平台，推动科研与产业衔接。未来，这些平台将成为生物制造从“论文”变成“产品”的桥梁，让更多科研成果走向市场。

挑战三：政策与标准体系需持续探索。新技术要进入生活，离不开制度保障。目前，生物基产品的低碳认证、生物安全评估、市场准入机制仍待细化。如何量化生物制造产品的碳减排贡献？如何评估合成微生物的环境风险？这些都需要建立统一的标准。

“人工智能+”“碳循环制造”“跨界融合”是趋势

趋势一：“人工智能+生物制造”——让“设计生命”像写代码。人工智能正在成为生物制造的新引擎。通过机器学习，人工智能可以帮助科学家预测基因突变效果、优化代谢路径、快速筛选高产菌株。以前改良一个菌种需要几年时间，通过人工智能可以把时间缩短到几周。

趋势二：碳循环制造——从“碳消耗”迈向“碳循环”。以二氧化碳为原料的“碳捕集+生物转化”技术已取得重大突破。未来，越来越多工厂不仅不用排放二氧化碳，还能“吃碳吐产品”。这意味着制造业或将从“碳消耗”迈向“碳循环”。

趋势三：跨界融合——从单一技术到生态网络。未来的生物制造将不再是单一技术，而是一个多学科融合的生态网络：生物学与材料科学结合，催生新型生物材料；生物技术与能源产业结合，形成绿色燃料体系；生物制造与智能制造结合，诞生自动化、数字化、可编程的“生命工厂”。

(作者为中国工程院院士、北京化工大学校长)

《 人民日报 》( 2025年12月13日 05 版)