作者:丁奎岭 来源:文汇报 发布时间:2023/7/11 14:46:46
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合成科学,通往“物质自由”的希望之门

 

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2018年8月,中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室覃重军团队在国际顶级学术期刊《自然》上发表论文,宣布首次创造出有生命活性的人造单染色体真核细胞,成果入选“2018年度中国科学十大进展”。 图为覃重军及其团队的人造单条染色体真核细胞研究内容。 均资料照片

合成生物学作为催动原创突破、学科交叉融合的前沿学科,已成为继发现DNA双螺旋结构所催生的分子生物学革命、人类基因组计划实施所催生的基因组学革命之后的第三次生物技术革命,被《自然》《科学》等国际顶尖期刊及多国智库评为十大颠覆性技术之一,已成为新一轮科技与产业革命的前沿焦点,各国竞相在这一领域制定发展路线图。

随着生命科技(BT)与信息科技(IT)的融合发展,合成生物学将人类带入了设计、创造生命,继而走向“物质自由”的全新阶段,有望改变传统的生产方式。如今,在人工智能的引领与赋能下,合成生物学走到了一个至关重要的发展关口,一些指向未来的创新“核爆点”正在形成。

这一颠覆性技术、革命性思维将引发怎样的变革?在上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心日前举行的合成生物学专场院士沙龙上,中国工程院院士杨胜利、中国科学院院士丁奎岭分别作了学术报告,从不同角度介绍合成生物学即将开启的未来“造物时代”所面临的机遇与挑战。——编者

合成科学是分子创制的核心和基础,包含化学合成和生物合成两种重要方式,它与生命、健康、农业、材料和能源等领域密切关联。未来的合成需要高水平的创造力和洞察力去探索无限可能性,让人类在分子创制方面获得更大自由。

跨越生物学与化学两大学科的合成科学,是一个有望在未来形成创新“核爆点”的领域。三大生命物质合成、生物降解与转化,乃至DNA信息存储和计算等领域的发展,都需要生物合成与化学合成的融合。作为中国合成生物学研究的重镇之一,上海应积极作为,引领中国成为世界合成科学学术中心之一。

合成创造“影响世界的分子”

合成包括化学合成与生物合成,其目的是创造有功能的物质。分子创制对整个人类的影响非常大,它从生命健康、农业、材料、能源等多方面改变了人类的生产生活方式。

到目前为止,人类能够合成或鉴定的分子有多少种?截至2021年5月的数据是1.5亿个。根据化学空间理论预测,人类能够创造的分子数量有多少?答案是10的63次方!因此,人类迄今所触及的分子合成空间,只是沧海一粟。

切莫小觑了小小的分子,一个小小的药物分子一年销售额可以高达200亿美元,价值相当于近200架大飞机。比如,索非布韦12周可以治愈丙肝,青蒿素让人类不再惧怕疟疾,而合成氨、液晶等分子的合成创制,更是给人类社会带来了划时代的影响。可以说,现代社会人类70多岁的平均寿命,与物质的创造及其所带来的技术发展为人类带来的福祉息息相关,它使我们的生命延长,也使我们的生活更便捷、更美好。

分子合成的发展,从化学角度大致经历了从无机到有机、从平面到立体、从小分子到大分子、从简单到复杂的过程。未来的合成一定是精准、高效和绿色的,而合成的分子一定是具有功能的。这也是为什么合成生物学从诞生之初就受到非同寻常的关注,尽管这门学科及产业在发展过程中还有很多极具挑战的技术问题需要攻克,但它的确是人类通往未来合成与理想分子的“希望之门”。

“细胞工厂”让物质合成更简单

合成科学面临的最大机遇和挑战是什么?首先是要想办法让分子合成变得更简便。以复杂药物分子为例,现在很多药物分子的合成非常繁琐,有的甚至需要经过几十个步骤,为此科学家正在尝试更简单的合成路径。比如,通过合成生物学的途径可以生产清洁燃油,用生物方法“吃掉”塑料。未来,合成生物学若能实现常温常压下人工固氮,将会对人类功莫大焉,要知道,目前工业合成氨消耗了地球上2%的能源。

由化学家创造的三大合成材料塑料、合成纤维、合成橡胶,结束了人类依靠天然材料的历史,彻底改变了人类的生活方式。可以说,当前人类的合成科技已经达到了空前的成熟度。人类甚至一度认为,无论多么复杂的分子,只要结构明晰且稳定存在、只要有充足的资源供应,就能将它合成出来。

但事实是,很多分子的合成非常困难,研发一款新药平均需要筛选10万个化合物、花费超过10年时间和10亿美元。能不能有更简单的方法?新兴的点击化学将引领这一潮流,它让分子链接变得像系安全带那样方便、精准,日益成为材料、制药、生物学研究中的常用工具。

合成生物学本质上是一个“细胞工厂”的理念,它将细胞作为一座工厂,以酶促反应作为桥梁,在基因与最终产物分子结构之间建立逻辑关联,基于细胞工厂提高产量,加速分子的进化、演变和拓展应用。它将分子合成的一道道工序都浓缩在“细胞工厂”里去完成,这就使物质的合成变得轻而易举。

目前,合成生物学已经历了20多年的快速发展。大约10年前曾有一场激烈论战,探讨合成生物学与合成化学谁更具优势。与化学合成相比,合成生物学有其独到的优势,例如中间体无需纯化、不需要保护基、高立体选择性、利用可再生资源等。现在看来,它们最终一定会走向交叉融合,让我们实现创造物质的自由。无论是在细胞工厂还是在真实的工厂中合成物质,人们总希望它具有定量的收率、完美的选择性且没有废物产生,归结到最基础的科学问题,仍然是化学键的活化、断裂和重组。

抓住机遇抢占合成科学制高点

随着化学和生物学的发展与技术进步,化学合成与生物合成出现了由点到面的快速融合、相互促进的趋势,为合成科学带来了前所未有的创新机遇。未来的合成科学应以功能分子创制为导向,以合成化学与合成生物学为纲,寻求二者从理论到技术的全方位深度融合,突破传统的学科研究范式,拓展合成科学发展的新空间,由此构建我国在合成科学领域的新格局,在把握新一轮科技革命和产业革命重大机遇的同时,抢占未来合成科学领域的制高点。

上海在合成生物学领域有着自己的优势,我们没有理由不把它做好。例如在青蒿素的合成上,目前仅通过合成生物学途径只能到青蒿酸。上海交通大学通过合成生物学与合成化学的融合,再用两步化学合成,就可以将青蒿酸变成青蒿素。目前团队得到的青蒿素结晶纯度为65%,未来能不能做到80%或更高?能不能把成本降到每千克1000元以下?如果能够做到,那我们就没有必要再去种青蒿来提取青蒿素了。目前,该项目正与药企推进产业化。

除了青蒿素的人工合成,上海交通大学还用合成生物学方法,实现了从淀粉糖、纤维素糖到乳酸的高效合成,并取得了核心专利,后续可通过化学合成将乳酸转化为生物可降解材料聚乳酸,目前正在牵手企业推动产业化。最近,我们还运用合成生物学方法,实现了从二氧化碳直接合成聚乳酸方面的“从0到1”的突破。未来,这些都将是巨大的产业,当成本下降到一定程度后,人类目前面临的白色污染问题将得到有效解决。

合成生物学与合成化学的交叉融合,将会是一个长期促进的过程。合成生物学家应该增强对生物合成反应机制的深层次认知,包括酶的结构与催化功能的关系、酶的动态催化机制、生物转化的化学原理和复杂分子的生物合成策略等;化学家应该学习和模拟生物体系的能量和物质的转化机制,构筑高效的仿生催化剂和人工酶,发展高效的仿生反应,实现各种功能分子的高效、精准创造。与此同时,我们尤其需要通过生物合成与化学合成的融合,聚焦具有重大战略价值的合成转化和功能分子,对接医药、材料、能源、健康、碳中和、人工固氮等重大产业和社会问题,解决单一合成手段无法解决的挑战性难题。

展望未来,化学合成与生物合成的交叉研究,还将加深人类对生命和自然的认识,有助于我们从新的角度去思索地球演化、环境失衡、生命进化及健康和疾病等基础问题,提出创造性的解决方案。

 
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