除了美容，合成生物學(xué)還在生活的這些方面幫助我們

相對于“醫(yī)療美容"，“生活美容"是非侵入非創(chuàng)傷性的，是指運用化妝品、保健品和非醫(yī)療器械等，采用涂擦、噴灑或者其他類似方法，應(yīng)用于皮膚、毛發(fā)、指甲、口唇等人體表面部位，達到清潔、消除不良氣味、護膚、美容和修飾的目的。目前，通過合成生物學(xué)結(jié)合基因編輯技術(shù)合成的化妝品原料有：透明質(zhì)酸、羥基積雪草苷、角鯊烯、白藜蘆醇、輔酶Q10、膠原蛋白、茶多酚，廣泛應(yīng)用于護膚面霜、精華液等產(chǎn)品中，分別起到保濕、抗炎、修復(fù)、抗氧化抗衰等功效。通過工程酵母發(fā)酵生產(chǎn)的Valencene和Nootkatone分別被用于香水和化妝品中以提供橙子和葡萄柚的香氣；同樣，通過對藻類進行改造，總部位于加州舊金山的Solazyme將這些微藻自然產(chǎn)生的油供應(yīng)給絲芙蘭用于添加到其所銷售的化妝品之中。由于具有開發(fā)時間短、開發(fā)成本和風(fēng)險低等特點，越來越多的化妝品原料通過發(fā)酵的方式替代傳統(tǒng)的從自然界提取的方式，國內(nèi)也有越來越多的企業(yè)通過合成生物學(xué)新技術(shù)成為眾多品牌化妝品企業(yè)的原料供應(yīng)商。

隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展，其所涉及的技術(shù)范圍也不斷擴大，并與其他領(lǐng)域有相當(dāng)大的重疊，除了通過生物勘探技術(shù)篩選鑒定天然源小分子、大分子的生物活動，發(fā)展化妝品、生物修復(fù)和藥物等產(chǎn)品外，還在科研和工業(yè)中使用的技術(shù)有：遺傳元件（啟動子、終止子、RBS）、廣譜宿主質(zhì)粒、代謝工程、DNA測序、密碼子優(yōu)化、DNA數(shù)據(jù)存儲、蛋白質(zhì)工程、CRISPR-Cas、多路復(fù)用基因組編輯、高通量篩選和自動化、微生物組工程、DNA組裝、基因驅(qū)動、無細胞系統(tǒng)、遺傳邏輯電路、建模和機器學(xué)習(xí)、DNA合成、定向進化；僅停留在科研階段的有：基因組小型化、自組織多細胞結(jié)構(gòu)、合成染色體、異種生物學(xué)和合成細胞器。這些技術(shù)未來將進一步推動合成生物學(xué)成為下一代生物制造，形成一場制造革命，探索替代原料和生產(chǎn)工藝，并進一步延伸到開發(fā)性能更好的產(chǎn)品，廣泛影響我們的生產(chǎn)和生活。

1、

新一代生物制造

利用微生物按需生產(chǎn)化學(xué)品、利用農(nóng)業(yè)和能源作物、二氧化碳、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢物等原料生產(chǎn)生物基燃料和化學(xué)品、新型功能材料和利用藻類生產(chǎn)生物燃料。

2007年國務(wù)院發(fā)布的“限塑令"，將生物降解塑料材料推向了歷史舞臺，而其中的“種子選手"則是聚乳酸（PLA），廣泛應(yīng)用于一次性餐具、塑料包裝、3D打印等領(lǐng)域。Total Corbion PLA位于泰國羅勇府的設(shè)計年產(chǎn)能7.5萬噸PLA的工廠已實現(xiàn)滿產(chǎn)運行，同時又宣布將在法國Grandpuits建造第二家即歐洲產(chǎn)能10萬噸的PLA工廠。全 球PLA第一梯隊除了Total Corbion之外，還有美國NatureWorks公司，中國豐原集團和海正生物材料公司，其中豐原集團依托自身發(fā)酵國家工程研究中心還實現(xiàn)了年產(chǎn)3萬噸一步發(fā)酵法L-蘋果酸生產(chǎn)示范線建設(shè)；浙江海正2023年更是將PLA年產(chǎn)能擴大到15萬噸。作為基于化石燃料的傳統(tǒng)塑料的替代材料，使用微生物發(fā)酵還可生產(chǎn)的生物降解聚合物有，聚丁二酸二醇酯（PBS）和聚羥基鏈烷酸酯（PHA），通過合成生物學(xué)研究可優(yōu)化篩選宿主生物、酶和代謝途徑。作為亞洲為數(shù)不多的通過微生物發(fā)酵進行PHA商業(yè)生產(chǎn)的企業(yè)，BluePHA藍晶微生物已建成年產(chǎn)5000噸的超級工廠，并將在二期形成25000噸的年產(chǎn)能供應(yīng)。

日本的 Spiber 和美國的 Bolt Threads 等公司已經(jīng)開發(fā)出源自蜘蛛絲蛋白的發(fā)酵產(chǎn)品，這些產(chǎn)品重量輕，具有理想的機械性能。總部位于新加坡的豐益國際（Wilmar International）和美國的Elevance在印度尼西亞成立了一家合資生物精煉廠，產(chǎn)能為180kMT，利用當(dāng)?shù)氐淖貦坝蜕a(chǎn)新型特種化學(xué)品。通過開發(fā)CO2光合代謝工程，中國臺灣科學(xué)家使用藍藻生產(chǎn)丁酸鹽。

2、

未來醫(yī)學(xué)

使用活細胞和無細胞系統(tǒng)按需生產(chǎn)、使用CRISPR - Cas對遺傳性疾病進行精確的基因組編輯、工程微生物和噬菌體作為治療藥物、CRISPR - Cas用于病毒的敏感檢測。

在重組DNA技術(shù)出現(xiàn)之前，大多數(shù)藥品僅限于小分子，而合成生物學(xué)通過擴大治療藥物生產(chǎn)能力，將進一步推動制藥行業(yè)的進步。第一個商業(yè)化合成的人胰島素于1982年利用工程大腸桿菌生產(chǎn)，替代了從動物中提取它的歷史標(biāo)準(zhǔn)；而arteannuin和Cannabinoids的微生物生產(chǎn)則是替代了傳統(tǒng)植物的來源；而無細胞系統(tǒng)（CFPS）由于可以采用凍干方式，具有便攜式、按需生產(chǎn)的特點，可生產(chǎn)從小分子、短肽到抗體偶聯(lián)物和疫苗等藥物，未來將改變藥品的制造和分銷模式。

2017年FDA批準(zhǔn)了第一個CAR-T細胞療法，隨后2018年又為第一個直接給藥的基于病毒載體的基因療法上市開綠燈，此外，工程化免疫細胞又進一步拓展到NK和巨噬細胞，工程細菌、單物種或多物種聯(lián)盟也正在開發(fā)用于皮膚、胃腸道和其他微生物組相關(guān)疾病，工程噬菌體也被用于高效特異性抗菌劑應(yīng)用于強化癌癥治療，這些開創(chuàng)性的細胞和基因療法的例子預(yù)示著合成生物學(xué)將為未來醫(yī)學(xué)帶來更多的治療創(chuàng)新。

3、

糧食、農(nóng)業(yè)和環(huán)境基因組編輯作物，提高產(chǎn)量、抗病性和改善營養(yǎng)，微生物肥料，微生物降解傳統(tǒng)塑料，工程微生物回收電子廢物。

民以食為天，面對當(dāng)前人口增長所帶來的糧食安全的挑戰(zhàn)，全 球在糧食和農(nóng)業(yè)技術(shù)方向進行了大量的投資，主要聚焦在提高農(nóng)作物產(chǎn)量和改善營養(yǎng)成分兩個方向?；蚪M編輯驅(qū)動的精確育種大大提高了植物合成生物學(xué)選擇理想性狀的效率；有三種策略可以提高作物的產(chǎn)量，即提高固碳效率、最大限度地減少植物呼吸性CO2損失和建立非豆科作物固碳機制；通過基因組編輯技術(shù)設(shè)計香米、設(shè)計含有維生素A原的“黃金大米"用于改善維生素A缺乏地區(qū)營養(yǎng)負擔(dān)、設(shè)計增強小麥對白粉病的抵抗能力、提高水稻抗細菌枯萎病能力；利用酵母生產(chǎn)母乳低聚糖作為配方奶的補充、生產(chǎn)植物或動物細胞替代蛋白產(chǎn)品用于替代能量和資源密集型動物肉等。而早在2014年，瑞士合成生物學(xué)公司Evolva就利用基因編輯技術(shù)使用酵母將糖轉(zhuǎn)化為食品添加劑香蘭素。

總部位于美國的Pivot Bio開發(fā)出了一種基于微生物的玉米肥料，有望取代傳統(tǒng)肥料避免化學(xué)污染的同時，更好地提高作物產(chǎn)量；除了前文提到的替代傳統(tǒng)塑料的生物降解聚合物外，還可通過在提高PTE降解菌Ideonella sakaiensis和兩種關(guān)鍵酶的效率，通過合成生物學(xué)蛋白質(zhì)工程實現(xiàn)酶的定向進化，降低塑料污染；此外，還可通過基因工程微生物生物積累進行重金屬和稀土元素的回收，減少電子廢物污染和提升回收效率升級回收模式。

工欲善其事必先利其器，合成生物學(xué)大規(guī)模試錯工程實驗對生物制造的發(fā)展形成了巨大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)超出了傳統(tǒng)的勞動密集型研究方法的能力，因此，建立高通量工程研究平臺勢在必行。隨著全 球各個國家對合成生物學(xué)下一代生物制造的重視與投入，國內(nèi)外許多公司和研究機構(gòu)都開發(fā)了以自動化合成生物學(xué)技術(shù)為中心的自動化DNA組裝平臺BioFoundry，這些BioFoundry的建立，既適用于研究，也適用于工業(yè)應(yīng)用，為簡化復(fù)雜的研究程序和促進各領(lǐng)域創(chuàng)新提供了強大的動力。作為先進的實驗室自動化制造商，貝克曼庫爾特生命科學(xué)為您提供專業(yè)的從硬件到軟件，以及應(yīng)用開發(fā)整體解決方案，在合成生物學(xué)、基因組和蛋白質(zhì)組研究等各個領(lǐng)域享有很高的聲譽。秉承創(chuàng)新、簡單易用、智能與自動化的理念，同時兼顧國際化和本地化的技術(shù)服務(wù)，不僅能提高實驗處理通量和效率，更能保證高質(zhì)量的結(jié)果產(chǎn)出。正因如此，Lesaffre Biofoundry通過3臺Biomek液體處理工作站，Echo聲波移液系統(tǒng)及超過60種設(shè)備的整合系統(tǒng)，實現(xiàn)將原有手工處理樣本的傳統(tǒng)方式進化到每天處理數(shù)千個。例如在第二輪菌株篩選中，采用多種菌株表型assay或生長監(jiān)測，評估分離在384孔板中的不同菌株。該Biofoundry可以處理高達100,000菌株，對一些特定方法每天可開展20,000個assays。

相信未來在小貝和眾多Biofoundry的共同協(xié)作與努力下，更多的生物制造產(chǎn)品將不斷推陳出新，以更節(jié)能、環(huán)保、健康的方式深入影響我們生活的方方面面。

圖 Lesaffre Biofoundry

參考文獻

1、化妝品與醫(yī)療美容產(chǎn)品科普知識之一：醫(yī)療美容產(chǎn)品不是化妝品　應(yīng)由醫(yī)生操作使用；國家藥品監(jiān)督管理局

2、Hayden EC. Synthetic-biology firms shift focus. Nature. 2014 Jan 30;505(7485):598. doi: 10.1038/505598a. PMID: 24476868.

3、滿負荷！Total Corbion PLA泰國官宣7個季度達成10萬噸里程碑 下一個豐原？海正？；聚如如咨詢

4、“椒"傲｜海正生材：做國內(nèi)聚乳酸的“拓荒者"；澎湃新聞

5、Mao N, Aggarwal N, Poh CL, Cho BK, Kondo A, Liu C, Yew WS, Chang MW. Future trends in synthetic biology in Asia. Adv Genet (Hoboken). 2021 Mar 5;2(1):e10038. doi: 10.1002/ggn2.10038. PMID: 36618442; PMCID: PMC9744534.

6、Ma Y, Zhang Z, Jia B, Yuan Y. Automated high-throughput DNA synthesis and assembly. Heliyon. 2024 Feb 25;10(6):e26967. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e26967. PMID: 38500977; PMCID: PMC10945133.