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倪俊:合成生物学已被认为是21世纪最重要的生物技术平台
2020-12-25 来源: 】 浏览:次 评论:0

 12 月 10 日 - 11 日,由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。

会上,上海交通大学特别研究员、长聘教轨副教授倪俊发表了以《光驱动合成生物学》为主题的演讲,以下为经过整理后的演讲实录:


从《侏罗纪公园》中利用克隆技术复活恐龙到《逃出克隆岛》中的克隆人用于器官移植,到哈佛大学研究人员提出复活猛犸象的可行方案,再到中国科学家成功开发可供人体移植的猪器官,“将科幻电影情节变为现实的背后,都依靠同一种技术 —— 合成生物学。” 倪俊说。

所谓合成生物学,简单说就是利用工程设计理念来改造或者创制人工生命系统,从而让细胞完成设定的任务,其建立在基因读写技术发展的基础上。2000 年,美国科学家 James J. Collins 开发出了遗传开关,这通常被认为合成生物学的开端。2010 年,Craig Venter 创造出了第一个人造生命。之后合成生物学快速发展,出现了非天然核酸、蛋白质从头设计、单条染色体酵母和大肠杆菌基因组全合成等一系列里程碑式的工作。

“虽然合成生物学是生命科学新的分支,但它已经被认为是 21 世纪最重要的生物技术平台。” 倪俊副教授强调了这种技术的重要性。早在 2004 年,《麻省理工科技评论》将合成生物学评为改变世界的十大新技术之一。合成生物学得到了世界各国的重视,美国将其认为 21 世纪优先发展的六大战略性技术,欧盟对于合成生物学的投入占到研发总投入的三分之一,中国也将合成生物学列为战略性前瞻性的重点发展方向,并且设立了国家重点研发计划合成生物学专项。


“合成生物学目前最为广泛的应用就是人工细胞工厂” ,倪俊介绍道。所谓人工细胞工厂,就是将微生物细胞当作微型工厂,通过引入定制的生产线,生产我们所需要的东西,包括生物燃料、可降解塑料、食品、药品等。因此,细胞工厂具有十分重要的应用前景,2013 年美国科学家在酵母中引入了青蒿素的合成途径,开发出了利用葡萄糖来生产青蒿酸的人工细胞工厂。

基于这种技术,100 立方米发酵罐中获得青蒿素的量与 5 万亩黄奥蒿获得的产量相当,这使得抗疟疾药物的成本下降了 90% 以上。利用合成生物学技术,还可以开发用来生产大麻素和神经类药物的人工细胞工厂。


倪俊团队在今年通过合成生物学实现了熊果苷等糖苷类化合物的生产。当然,他们的工作不局限于此。在演讲中,倪俊介绍了团队的一系列工作:在大肠杆菌中引入了香兰素的合成途径,构建了细胞工厂并且开发了温度控制的策略,使得香兰素的产量和产率达到全球最高水平;利用细胞工厂来构建了可以生产可降解塑料的聚乳酸、工业原料 1,3 - 丙二醇和戊二酸等许多物质;实现可降解塑料聚乳酸和天然香料的产业化……

在倪俊团队的诸多成就中,最耀眼的无疑是他们提出的 “光驱动合成生物学”。倪俊介绍说,基于异养微生物的传统细胞工厂并没有实现真正的绿色生产。“早在一百多年前就有科学家提出真正的绿色合成是利用类似的植物方式来进化合物的生产,而碳回收也被认为合成生物学最高成就之一” ,他说。虽然目前科学家利用合成生物学技术对大肠杆菌和酵母菌进行改造,获得了可以利用二氧化碳的微生物,但这些微生物生长慢、固碳效率低,失去了应用价值。

该团队注意到,自然界中存在一类光合自养的微生物,蓝藻,可以利用太阳能来固定二氧化碳,同时它的太阳能的利用效率比陆生植物高差不多 10 倍。“我们研究发现蓝藻特殊的类囊体结构使得它可以表达几乎所有植物来源的基因,包括许多在大肠杆菌等常用微生物中难以表达的基因。同时,光合作用产生的能量和还原力会推动合成反应,因此蓝藻非常适合进行天然产物的生产” ,倪俊说。基于这类微生物他们提出了光驱动合成生物学:以蓝藻中的聚球藻作为光驱动细胞工厂,在其中引入了不同生产线,从而直接利用二氧化碳合成乳酸、1,3 - 丙二醇和天然产物等不同的化合物。

目前倪俊团队已经构建出了一个全球最大的天然产物光合细胞库,包含了上百种的光驱动细胞工厂,直接利用二氧化碳生产的天然产物可以广泛应用于医药、保健和化妆品行业。


倪俊介绍,这个光合细胞库应用前景广阔,比如光驱细胞工厂生产的柚皮素有助于抑制和治疗新冠肺炎,而白藜芦醇和熊果苷等天然产物可以用来生产保健品和化妆品 “柚皮素这种物质具有抗病毒的功效,可以竞争性结合上皮细胞的 ACE2 受体,从而可以阻止新冠病毒的入侵,因此可以用来预防新冠疾病。同时柚皮素可以减轻肺部的炎症反应,因此可以用来治疗新冠肺炎等疾病。” 他解释说。

此外,光驱动合成生物学还可应用于细胞治疗。团队利用聚球藻结合光动力学疗法,在小鼠中实现了乳腺癌的治疗。这种方法对于癌细胞的抑制效果接近百分之百,他们将这种创新的疗法称为蓝细胞疗法,工程化的蓝细胞还可以用来治疗代谢疾病


其团队关于光驱动细胞工厂的工作已经连续被国际期刊选做封面,这种新型的合成生物学平台与以往的技术相比具有明显优势,且具有商业化价值和产业化前景,未来有望改善人类生活。

目前,倪俊团队正在主持国家重点研发计划的首个光驱动合成生物学的课题,联合了国内优势的研发团队,希望打破科研成果转化的最后一公里。“2019 年,合成生物学被美国列入了技术封锁的清单,但是中国在合成生物学领域的研究水平并不弱,我也相信全球第一家光驱动合成生物学的公司在不久后会诞生在中国。” 倪俊在演讲的最后说。


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