Jay Keasling：用生物学创造新材料，工程生物学将(2) -中国组织工程研究杂志社投稿

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Jay Keasling：用生物学创造新材料，工程生物学将(2)

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摘要：

对于用来生产 FDA 批准的治疗药物的大麻素，通常都是在室温中生产的，这是一个不可扩大规模的系统。它们需要大量的电、光和水，以上是不可扩大规模的流程。微生物发酵是可扩大规模的，所以我们的目标和青蒿素项目非常相似，把基因从大麻植物提取出来，然后将其放入酵母中，让他们在单糖中生长来生产大麻素。

我们在加州创办了一家名为 DEMETRIX 的公司来攻克这个项目，我们通过整合大麻植物和其它物种的代谢通路到酵母，使酵母产生了 THC、CBD、CBG、CBDV 和 THCV，这些都是天然大麻素。我们还可以合成很多非天然大麻素，没有任何植物可以产生的大麻素，所以这个平台有潜力生产成百上千天然大麻素，以及很多治疗人类疾病更优的非天然大麻素。

下面我们谈谈能源，当今年代面临的另一个主要问题。你们肯定知道，我们使用的燃料和化学材料均来源于地下的石油，我们都知道汽车、卡车或飞机使用燃料后会向外排放二氧化碳，加剧全球气候变暖。此外，很多材料最后成为废物流向了海洋。我们希望利用可再生能源来生产这些燃料、化学品或材料，主要是阳光和来源于大气中的二氧化碳。通过植物，或者不同的 “生物工厂”。

现在在美国，每年可用于生产燃料和化学品的生物物质达到 10 亿吨，大约是全部交通燃料的 1/3 或所需化学品的 2 倍。

我现在管理着加州的一个科研机构，叫 “联合生物能源研究所”（JBEI），其使命是将木质纤维素生物质转化为生物燃料和生物制品。我们在 2007 年成立，2012 年续约，2017 年正式开始，我们提供科学依据，将木质纤维素生物质转化为生物燃料和生物制品，换提供再生化学品，从而实现生物经济在美国及全全球的繁荣发展，这些年我们完成的是让植物积累更多的纤维素和半纤维素，你们可以看到这里有非工程植物和工程植物，后者细胞壁更厚，含有更多的纤维素 / 糖来转化成生物燃料和生物制品，我们还研发高效工艺，可以提取纤维素并将糖类转化为生物燃料。

这是一个工程细菌生产柴油燃料的示意图，就像编辑酵母生产青蒿素一样，我们采用了类似的方法，事实上，我们用的是同一个菌株，我们用生物燃料基因取代青蒿素基因，利用酵母来生产生物燃料。现在的生产过程非常简单，你可以用糖培养这些细菌或者酵母，它们会生产并分泌生物燃料到培养基中，这可以进行提纯，如果编辑正确的话，它可以直接作为燃料使用，不需要进行任何处理。

这是一个简单的生物燃料的生产过程。该燃料是完全碳中性的而且完全可再生，现在我们将话题从生物制品转向我们如何通过工程生物学来改善环境。

如果你看一桶油的用途，你会发现大约 80-85% 的油用于生产燃料，另外 15-20% 被用于制造塑料、颜料以及其它生活消费品。如果你看一下石油制成的产品数量，你会发现数量巨多，这是一个非常简化的石油制品表，许多产品面临的一个巨大挑战是它们不能生物降解，最终流入海洋，这样一来，大量由石油制成的塑料产品会在海洋中积累，于是我们就想有更好的塑料，比如可生物降解的塑料以及有更好特性的材料。

那么，问题来了：我们可否用生物学来创造新材料？我们目前正在进行的工作是克隆土壤里酶的基因，把这些酶的基因取出来，并创造新的酶，进行杂交重组，将其编辑入微生物中，让它们将单糖转化成有价值的材料，如可降解生物塑料，当它们被投入海洋中时会快速降解，以及转化成新的材料，可用于延展接合或制成衣物、运动服等。这些材料不但是可再生的，它们还是碳阴性的，因为如果你不燃烧它们，释放的二氧化碳就可以被植物吸收并转换成这些产品，它在产物中沉积而不是回到大气中，所以它们是碳阴性的。

最后我想谈一下合成生物学的行业发展现状，该领域增长的非常快，这里展示了合成生物学从 2009 年到 2018 年的增长情况，2019 年和 2020 年表现更加出彩。

这些是顶级合成生物学公司以及它们筹集资金的情况，这么多年来，截至 2018 年，融资金额已经很高了。

下面我们简单讲讲机遇，其实有很多机会，有很多传统中药，我们可以用今天我讲到的方法：把基因克隆出来生产疗法药物，把它们放入一个有机体，如酵母或细菌，然后它们就生产相关的分子。同样，新材料领域也有很大的需求，材料领域是一个数十亿美元的全球产业，我们需要更多新的优于来自石化品的聚合物，然后将其用于 3D 打印、柔性电子、自修复材料以及阻燃材料。我们还需要满足日益增长的人口，这需要大量的氮基肥料，如果我们能编辑植物让它们生产所需的肥料，这会大量减少氮基肥料的生产并减少碳在大气中的排放；此外，让植物用更少的水来保持同样的产率也是一个非常重要的研究领域；最后，改善人类和动物健康以及为土壤提供营养和防御病原体的工程微生物，也是非常重要的研究领域。

文章来源：《中国组织工程研究》网址: http://www.zgzzgcyj.cn/zonghexinwen/2021/0809/1812.html