在“生物工厂”里设计和改造生命系统（院士讲科普·未来产业）

来源：人民日报

图①：淀粉合成单元内的糖分子与酶结构模型细节特写。

黄晓丹摄（影像中国）

图②：人工合成淀粉模型的化学还原、生物催化与淀粉合成单元特写。

黄晓丹摄（影像中国）

图③：第十七届中国生物产业大会上，与会人员观看展品。

魏 铼摄（影像中国）

图④：团队成员调试自动化实验设备，提升实验流程智能化。

天津大学供图

图⑤：元英进院士（右一）与团队。

天津大学供图

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。

一条主线，是从改写单个基因走向更大尺度的基因组设计与合成；另一条值得关注的探索，是从改变DNA字母走向调节基因怎样被读取。DNA序列好比书中的文字，表观基因组则像书签、索引，决定哪些章节在何时何地被打开。所谓表观基因组编辑，是尝试在不改变DNA序列的情况下调节基因表达；更大范围的“合成表观基因组”仍处于探索阶段，能否精准写入、能否稳定保持、能否按需擦除……这些问题还需要科研探索进一步解答。

DNA不只承载生命信息，也可以成为数字信息的特殊存储介质。科研人员把文字、图像等数据转成碱基序列，经DNA合成写入、测序读出。天津大学团队把经典图片、视频、敦煌壁画和医疗影像编码进DNA，并研发纠错和序列重建方法。实验结合理论推算表明，相关信息在25摄氏度条件下具有保存千年的潜力，在9.4摄氏度下理论上可保存两万年，受损DNA中的原始数据仍可恢复。2026年，团队又通过“复合字母”和非天然碱基，提高单位合成的信息量，并探索分子层面的防复制功能。

人工智能和自动化也在重塑研发方式。天津大学合成生物技术全国重点实验室团队开发人工智能与自动化闭环的酶改造平台，通过5周的迭代实现100多倍的活性提升。这让酶改造由“广撒网”走向“边做边学”，有望加快医药、食品、材料等领域所需工业酶的研发，为绿色制造提供更高效的生物催化工具。

从“认识生命”到“设计生命”，人类对生物大分子和基因的研究进入精准调控阶段。未来产业不会凭概念自动长成，规划终究要落到原理、工具、平台、人才和场景上。把基础研究做扎实，把工程能力练过硬，把科技创新与产业创新深度融合落到实处，生物制造这门年轻的学问才能更好服务经济社会高质量发展。

（作者为中国科学院院士、天津大学合成生物与生物制造学院院长 元英进，本报记者龚相娟采访整理）