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自上期撰文《天然产物制造——合成生物已成主流》的内容分享后，小编看到了一些读者的反馈，大多评论都涉及到合成生物制造的概念问题。由于上期内容已经对天然产物的合成生物制造作了一定的描述，那么本期内容小编便从大宗产品、可再生化学品与聚合材料、精细与医药化学品、未来农产品等其它方面的合成生物制造来对合成生物制造的概念与应用进行分享。
合成生物制造是以合成生物为工具进行物质加工与合成的生产方式，是对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”。将合成生物作为核心工具建立的新一代颠覆性生物技术，有望为破解人类社会面临的资源短缺、能源供给、健康安全、生态环境等领域重大挑战提供完整全新解决方案。
▲ 合成生物制造示意图
（图源：参考资料1）
合成生物制造以合成生物为工具，利用糖、淀粉、纤维素、甚至二氧化碳等可再生碳资源为原料，进行化学品、药品、食品、生物能源、生物材料等物质加工与合成，具有清洁、高效、可再生等特点，能够减少工业经济对生态环境的影响，有望彻底变革未来医药、食品、能源、材料、农业等传统模式，重塑碳基物质文明发展模式。世界经济合作组织发表的报告表明合成生物制造可以降低工业过程能耗、物耗，减少废物排放与空气、水及土壤污染，以及大幅度降低生产成本，提升产业竞争力。
在生物行业中，大宗产品主要指的是氨基酸、有机酸、维生素、微生物多糖等，被广泛应用于化工、食品、医药等领域。
▲ 部分大宗产品——左上为有机酸代表产品柠檬酸，右上为氨基酸代表产品谷氨酸，下为维生素代表产品维生素C及其制片
（图源：网络）
大宗产品的合成生物制造主要通过发酵的形式进行生产，其工艺的核心在于菌种的性能，高性能菌种可以实现更高的转化率、产品浓度和生产强度，从而在激烈的产业竞争中占据主动。合成生物学的发展大大提升了菌种设计改造能力，不仅可以获得自主知识产权的新菌种，而且显著提高原料利用能力和转化效率等技术指标，为大宗产品的合成生物制造奠定了坚实的基础。利用可再生原料生产可再生化学品与生物基材料可以解决石化资源短缺等问题，满足经济社会绿色、可持续发展需要。较为常用的可再生化学品有丁二酸、戊二胺、1,4-丁二醇等，它们都是合成聚合材料单体的原料，如丁二酸可以用来合成丁二酸丁二醇酯（PBS）、尼龙54 等生物基材料；戊二胺在化学纤维、纺织等领域有着重要的应用；1,4-丁二醇是一种极具商业价值的化学品，每年用其生产超过250 万吨的聚合物。
▲ 部分可再生化学品与聚合材料——左为以丁二酸和1,4-丁二醇为原料生产的丁二酸丁二醇酯聚合材料，右为以戊二胺为原料生产的泰纶
（图源：网络）
随着合成生物学的发展，人们对细胞代谢和调控认识的不断深入，技术手段不断进步，通过优化改造、甚至从头设计合成高效生产菌种，大大提高了可再生化学品与聚合材料的生产能力与效率。我国是目前全球最大的精细与医药化学品供应国，出口的精细与医药化学品包括芳香族化合物、抗生素、甾体激素等多种类型，被广泛应用于食品、化妆品、医药等多个行业。
▲ 部分精细与医药化学品——左为芳香族代表产品香兰素，右为抗生素及甾体激素产品
随着合成生物学的发展，人们通过对细胞内代谢途径的全新设计，使精细与医药化学品可以通过微生物细胞以廉价的糖类等为原料来合成，为降低精细与医药化学品的生产成本，实现绿色生产提供可能。合成生物制造不仅可以生产制造香兰素、白藜芦醇、柑橘类等一系列高附加值农业相关产品，还能够淀粉、油脂、健康糖、牛奶、素食奶酪、各种蛋白（胶原蛋白、蚕丝蛋白、肉类蛋白及卵蛋白等）、肉类等。这些新技术将颠覆传统的农产品加工生产方式，形成新型的生产模式，促进农业工业化的发展。
▲ 未来农产品的合成生物制造
（图源：网络）
随着合成生物学的发展，人们通过发掘动、植物的营养、功能成分合成的关键遗传基因元件，对跨种属的基因进行组合，采用人工元件对合成通路进行改造，优化和协调合成途径中各蛋白的表达，创建淀粉、蛋白、油脂以及其他营养功能因子的高效人工生物合成路线，形成崭新的细胞工厂，颠覆现有的农产品生产与加工方式，摆脱人类所需营养素及天然化合物对资源依赖和环境破坏为代价的发展。
合成生物学至今仍然以自然生物的设计改造为主开展研究，利用合成生物产物绝大部分为天然化合物，与之矛盾的是绝大多数化学品并没有天然生物合成途径，这是合成生物学未来发展会直面的巨大挑战，因为目前为止可以实现从头创建全新非自然合成途径的报道极少；同时这也展示了合成生物学巨大的发展机会，随着技术的发展有望实现颠覆性的革新；新世纪人工智能、大数据等技术为科学发展创造出新的可能，同样合成生物学也可将其引入自身体系，全面整合生物合成途径规模化解析、元件库建设、生物途径高通量组装和优化、人造系统的调试等技术，人工构建全新合成途径，生产新型化合物，服务人类发展。以合成生物学为指导，设计有机化学品的高效合成路线和人工生物体系，逐渐从天然生物的轻度修饰向全人工合成的生物或生命过度，不仅可能高效利用原来不能利用的生物质资源，也有可能高效合成原来不能生物合成、或者原来生物合成效率很低的产品。这将为突破自然生物体合成功能与范围的局限，打通传统化学品的生物合成通道，为发展先进生物制造技术、促进可持续经济体系形成与发展，提供重大机遇。
参考资料：
1、张媛媛, 曾艳, 王钦宏. 合成生物制造进展[J]. 合成生物学, doi: 10.12211/2096-8280.2020-052.2、佚名. 合成生物制造的"魔力"[J]. 现代国企研究, 2015, 000(023):P.86-89.3、 杜立, 王萌. 合成生物学技术制造食品的商业化法律规范[J]. 合成生物学 2020年1卷5期, 593-608页, 2020.4、 马延和. 合成生物学及其在生物制造领域的进展与治理[J]. 科学与社会, 2014, 4(004):11-25.（文章内容整理自上述参考资料，同时对其内容进行了一定的简化、补充，若有不足之处，欢迎指正）
