在前不久举行的 “光明科学城・2020 工程生物创新大会暨《麻省理工科技评论》中国生命科学创业大赛决赛” 上，美国加州大学伯克利分校化学工程和生物工程的 Jay Keasling 教授做了以《基因工程生物，解决全球挑战》为题的演讲。
图 | Jay Keasling 教授（来源：UC Berkeley 官网）
以下根据演讲实录整理：
大家好，很荣幸今天能给大家做演讲。我的演讲题目是《基因工程生物，解决全球挑战》，在我的演讲中，我不仅会讲述几点这些挑战，还会讲合成生物学如何被用于解决其他的挑战。
截至 2050 年，全球人口预计将达到 96 亿，为了满足人口需求，农业生产力需要增加 60%；同时，截至 2050 年，预计气候变化将使作物产量下降 40%。截至本世纪之交，作物产量预计将减少 80%；此外，未来 30 年里，预计全球能量需求将增长超过 50%，这会导致大气中的二氧化碳增多，进而加剧气候变化；最后由于气候的变化，疾病治疗会变得更加困难，因为越来越多的病原体对现有药物具有耐药性，但缺少新药的加入。
当今年代的主要问题来自食物、水、能源、环境和健康，接下来我先谈一下我们在健康领域的工作。这里要特别提及一种疾病 — 疟疾，大约 30 亿人口处于感染该疾病的风险中，约 2 亿人遭受感染，另外，每年死于疟疾的人口数量超过 50 万，大部分是 5 岁以下的孩子。
一种名为青蒿素的药物可以治疗疟疾，它是一味中药，来源于名为黄花蒿的植物。关于它的历史和价值，我相信很多观众比我更清楚，它最先出现在一本医术著作中，用于治疗痔疮，后来被用于治疗可能由疟疾引起的发烧，青蒿素在之后很长一段时间里被遗忘了，直到越南战争时，屠呦呦翻看古医学书籍文献，找到了关于生产青蒿素的描述，并成功分离了活性成分青蒿素。
2004 年，世界卫生组织建议采用该疗法治疗无并发症的疟疾。青蒿素的使用也面临了很多挑战，首先是价格和可用性，其次是质量，最后是虐原虫对青蒿素的耐药性。这是目前青蒿素的生产流程，它由植物合成，然后从植物中提纯，再用化学方法将其转化成各种不同的衍生物，用于青蒿素联合疗法中的制剂。
我们在几年前提出，用酵母来源的青蒿素药物来代替植物产出的青蒿素药物，工程酵母可以产生青蒿素，也可以被转化成与植物来源一样的衍生物，这是我们和一个初创公司合作的项目，该公司是由我们的实验室孵化的，名字叫 Amyris。其生产流程很简单，我们把生产青蒿素的基因从植物中提出来，导入酵母，让酵母在大规模发酵中，从简单的糖类生产出青蒿酸，然后提纯并将其转化成青蒿素联合疗法中的衍生物。
青蒿素是在黄花蒿叶片的油囊里合成的，我们推断，既然青蒿素是在油囊中合成的，油囊细胞一定富含合成青蒿素的酶和编码青蒿素的 mRNA，那我们可以在这里克隆用于生产青蒿素的基因。所以，我们克隆了基因并将其放入了酵母的染色体中，当这些基因表达时，酵母就会产生青蒿素。我们编辑酵母来生产青蒿酸，这项技术被授权给赛诺菲。
这是意大利的生产设施，用于将青蒿酸转化为青蒿素，这些准备制成药片青蒿素，这是用酵母来源的青蒿酸制成的最终药片，约 5100 万次治疗用药已被送至非洲，我们每年能够生产 1 亿至 1.5 亿次治疗用药，大约占全球总需求的一半。
Amyris 没有利用这一技术挣钱，加州大学放弃了这一知识产权，Amyris 通过这一过程生产青蒿素，在编辑酵母的过程中还能产生许多其它分子，目前，Amyris 有大约 9 种不同的分子，被用于目前市场上的商品和消费品中，更多的产品即将出现，他们都来自用于生产青蒿素的工程酵母。
下面我讲另外一个我实验室的故事，是关于生产大麻素的。大麻素来源于大麻植物，THC 和 CBD 是 2 个更为人所知的大麻素，如右图所示，它们被广泛用于治疗疼痛和减轻癌症治疗的副作用，从大麻植物提取大麻素很困难，如果通过化学合成的方法进行生产，每 1kg 就将花费 4-7 万美金。
目前，FDA 批准了几种大麻素处方药，最新批准的药物是 Epidiolex，它由 CBD 制成，用于治疗小儿癫痫。目前大麻素市场正在急速增长，在接下来的 10 年里，到 2026 年可能增长至 500 亿美元，而到 2030 年，可能达到 1000 亿美元。
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。
我想感谢在这几年里一直资助我们研究的组织，感谢我身为其中一员的全部机构，也感谢大家的时间和参与。
关于 “光明科学城・2020 工程生物创新大会暨《麻省理工科技评论》中国生命科学创业大赛决赛”
2020 年 12 月 19 日 - 20 日，由深圳市发展和改革委员会、深圳市光明区人民政府主办，中国科学院深圳理工大学（筹）、中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院、DeepTech 生辉、深科（深圳）工程生物产业科技有限公司承办，中国生物工程学会合成生物学专业委员会、中国医药生物技术协会合成生物技术分会、深圳市合成生物学协会协办的 “光明科学城・2020 工程生物创新大会暨《麻省理工科技评论》中国生命科学创业大赛决赛” 在 “鹏城” 深圳光明区举办。
大会具体揽括了 “打开生命科学、工程和产业的魔盒”、“机构化创业之风潮”、“合成生物引领产业应用浪潮”、“高通量技术铸造合成生物学工厂” 以及 “合成改造发起疗法革命” 等十个前沿工程生物技术、产业论坛和圆桌讨论环节。生命科学领域特别是合成生物学领域的顶级科学家、商业领袖及资本方汇聚一堂深度探讨了合成生物技术和产业的发展现状以及合成生物学正在或即将为人类商业与社会带来的重要影响。
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