时间：2024-06-09 01:15:41
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主要编剧、视频制作人：于美君
世界上有数千家工厂，但你见过“细胞工厂”吗？在这里，生产工厂里忙碌的人们不是“工人”，而是只有用显微镜才能清晰看到的细胞，他们不吃不睡，为生产人类需要的高价值天然产物而努力工作。今天，让我们一起走进“细胞工厂”，认识神奇的“微生物工人”。
在细胞内建工厂？科学家创造了一个奇幻世界
今年《政府工作报告》提出加快发展新产能，积极打造生物制造等新增长引擎。快速发展的“细胞工厂”为生物经济发展提供了巨大潜力。
所谓“细胞工厂”，就是科学家利用细胞自身的代谢功能作为“生产线”，以酶为催化剂，借助计算机辅助进行高效、定向设计，指的是把目标细胞一一设计成“加工厂”。 ”通过基因技术，有用的代谢途径得到增强，从而将活细胞变成“超级工厂”。
它打开了人类的想象空间，“任何事物都可以被创造”。例如，单个细胞可以促进多种类型的人造动物肉的产生，无需匹配血型，并且人造血液可以长期保存并随时使用。另一个例子是利用玉米等植物作为原料合成轻质、可回收的基础设施材料。我们还可以把稀有药物变成大众可以购买和使用的好药。
“细胞工厂”就和我们熟悉的工厂一样，配备了微生物细胞器等各个生产阶段的车间。然而，“细胞工厂”的本质与普通工厂不同。在某些情况下，细胞工厂仅由某些类型的微生物组成，完整的装配线工程可能不存在。
目前，在科学家的设计下，秸秆、木薯、蓝藻等生物质原料通过微生物细胞工厂的作用转化为丁二酸、甲烷、乙醇等化工产品，为化学工业系统提供原料。
“细胞工厂”可以用可再生的生物质资源替代不可再生的化石资源，用清洁的生物加工方法替代化学加工方法，节能、环保、高效、可持续。
工业生物技术可以说是继医学生物技术、农业生物技术之后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，合成生物学和生物制造的经济价值预计将达到1000亿美元。到2030年，35%的化学品和其他工业产品将由工业生物技术生产，每年减少二氧化碳排放25亿吨。未来，全球60%的物质生产可以通过生物制造来实现。
在这条已经“启动”的新生物经济轨迹中，通过“细胞工厂”合成生物体有潜力解决人类的粮食短缺、能源短缺、环境污染、医疗健康等问题，并对全球可持续发展极其重要。发展。
以空气为食、生产一切的“蓝绿藻工厂”成为现实
“我们正在建设的是一个以阳光和空气为原料的‘细胞工厂’。我们将利用基因编辑等合成生物学技术来改造蓝藻这种光合微生物。”我们利用其快速繁殖速度和高光合效率蓝藻产生特定物质。”上海交通大学生命科学与技术学院特约研究员聂军介绍。
以化妆品中常使用的天然抗氧化活性成分——“白藜芦醇”为例，葡萄、花生等植物中所含的“白藜芦醇”含量通常不足1/10,000。使用“蓝绿藻工厂”后，每生产一吨“白藜芦醇”，可缩短生产周期240倍，节省土地72750亩，吸收二氧化碳2000多吨。
“蓝藻可以自由改造，引入各种植物的代谢途径。这与将蓝藻改造成人参、葡萄等植物是一样的。”Jun先生说道。天然植物能够生产的物质，全部都可以利用“蓝绿藻工厂”来生产。 ”
蓝藻转化的过程并不复杂，首先要确定你想要获得什么样的物质，比如特定的物质分子或药物分子。接下来，我们将分析这种物质在植物中的代谢途径，并将该途径所需的所有基因编辑到蓝藻中。
简单来说，就是用“基因剪刀”剪下相应的基因片段，插入到蓝藻细胞的基因序列中，蓝藻细胞就能够合成这种物质。
只要有空气和阳光，这些改造过的蓝藻细胞就会迅速繁殖，产生葡萄糖、甘油、姜黄素、白藜芦醇等多种物质。
世界上有成千上万种微生物，为什么决定改造蓝藻呢？倪军解释说，蓝藻是一种被称为“植物祖先”的单细胞生物，他解释说，内部结构非常简单，易于改造。修改后，还可以直接使用太阳能供电。我们使用二氧化碳来合成我们的产品。
如今，蓝藻“细胞工厂”不再局限于实验室，而是扩展到工厂，生产“香料之王”香兰素、天然活性抗氧化剂白藜芦醇、可生物降解塑料聚乳酸等我们都在生产。倪军团队建成了产能10吨左右的大型生产线，生产高附加值产品。
未来我们吃的“肉”可能是由微生物制成的
肉类是我们蛋白质的主要来源之一，但随着人口增长和城市化进程加快，世界人均对植物和动物蛋白的需求正在显着增加。因此，人类一直在寻找替代蛋白质来生产健康环保的“肉”。
目前替代蛋白主要有植物蛋白、细胞蛋白、发酵蛋白三大类，其中发酵蛋白最有发展前景。
“发酵蛋白也叫微生物蛋白，是以葡萄糖、淀粉、糖蜜、合成气、二氧化碳等为底物，在细胞工厂中通过微生物发酵产生的蛋白质。”天津工业生物技术研究所研究员李德茂说。中科院院士，发酵蛋白蛋白质含量高达40%~80%，且不含胆固醇，对心脑血管疾病患者更加友好。
用发酵蛋白制成的鸡肉无论是味道还是香气都可以保持85%左右的正宗。
“通过微生物发酵生产蛋白质的速度比植物快500倍，比动物快2000倍。”李德德每年从一英亩的大豆田里收获约130公斤大豆，产出植物蛋白52公斤。他说他可以。采用100吨发酵罐进行微生物发酵，每年可生产发酵蛋白近100万公斤。
另外，发酵蛋白的转化率也很高。微生物发酵可以从1公斤淀粉中产生190-200克蛋白质，但用1公斤淀粉喂养家禽和牲畜只能分别产生47克和14克蛋白质。
相比之下，细胞蛋白生产虽然不受原料限制，但培养条件苛刻，研究人员必须从动物体内提取干细胞，并用血清等各种营养物质“喂养”它们，以保持它们“生长”，生产成本很高。 高的。
“目前，发酵蛋白也有潜力应用于饲料和医药领域。”李德茂说。国外不乏发酵蛋白食品。英国企业将发酵蛋白技术应用到食品开发中，相继推出健身蛋白粉、发酵蛋白“肉”汉堡、香肠、肉卷等产品。
美国一家公司推出了首款生物生成牛奶蛋白冰淇淋，利用微生物生产乳清、酪蛋白和其他模仿真实牛奶的物质。
“具有特殊功能的发酵蛋白还可以应用于医疗领域。”李德茂表示，未来将开发具有特殊功能的发酵蛋白，比如可以发挥蛋白质功能作用的富硒蛋白。他说将有可能开发和生产蛋白质。同时还要服用硒。
新型酵母“细胞工厂”有望替代传统农药和添加剂
“多么美丽的茉莉花，枝头芬芳美丽。”这是很多人都知道的一句歌词。近年来，茉莉花非常流行，一些商店正在将茉莉花制成串来制作手链，或者将茉莉花添加到奶茶或豆浆中作为调味料。
现在，在中科院深圳先进技术研究院研究员唐洪廷的帮助下，茉莉花不再以花的形式存在，而是以化合物和香味的形式存在。
前段时间，她和同事在酿酒酵母中合成了植物激素茉莉酸，并建成了第一个可用于合成茉莉酸化合物的“酵母细胞工厂”。
如您所知，酵母是一种喜欢以糖和淀粉为食并通过发酵产生能量和乙醇的微生物。这些通常是制作面包、葡萄酒和啤酒时必不可少的。
唐洪廷的研究使用酵母作为构建具有不同特性的细胞工厂的理想基础。例如，利用酵母的生物合成能力将二氧化碳、纤维素等廉价碳源转化为高价值产品，利用酵母生产重组产品用于食品、能源、医药等领域，用于生产蛋白质。
唐洪廷和他的同事在酵母的帮助下合成了茉莉酸等天然产物、糖类化合物和乙醇等能量物质。
茉莉酸是一种天然植物激素，作为传统农药的替代品具有巨大潜力，调节植物生长和品质，提高病虫害抗性，减少农药使用量，我可以。因此，茉莉酸类化合物是“绿色农药”的重要候选分子。
茉莉酸化合物也因其独特的茉莉花香而被用作食品和化妆品中的香料，以添加迷人的花香。
随着合成生物技术的发展，未来利用酵母高效合成并工业化生产茉莉酸类化合物将成为可能，有望具有广泛的潜在应用。
唐洪廷表示，看似一个小小的茉莉花成果，实际上蕴藏着绿色生物制造的宏伟命题。想要实现“绿水青山”的目标，绿色生物制造是重要手段之一。
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“细胞工厂”解决白色污染问题
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，日本废塑料产量预计将超过6000万吨，其中只有1800万吨被回收利用。
随着我国《“十四五”生物经济发展规划》的出台，生物降解塑料被认为是解决白色污染的最新方案。
可生物降解的塑料PBS 是成功使用“细胞工厂”的一个典型例子。科学家们正在利用稻草创建大肠杆菌“细胞工厂”，生产琥珀酸，琥珀酸可用于制造PBS。
天津工业生物研究所所长马延河表示，这种方法显着降低了丁二酸的生产成本，减少了94%的二氧化碳排放，因此PBS生物塑料未来应该会大规模使用。有可能。
清华大学的研究人员改造了嗜盐细菌，并在食物垃圾水解液中培养它们，生产出可生物降解塑料PHB，它是一种新型生物材料，它是一种聚合物，在有氧和厌氧条件下都可以实现生物降解，并且可以完全降解。目前，日本处于世界PHA产业化前列，规划产能超过10万吨。
这也为食物垃圾资源化提供了新途径。普通塑料的劣化周期需要数百年，而PHA 产品在进入海洋后约1 至3 年即可完全自然分解。同时，纯PHA产品对海洋和陆地动物无害，食用不会造成太大伤害。