随着 “绿色发展” 理念的深入，“绿色生物制造” 也逐渐成为下一代制造业转变的主要方向。
合成生物学技术则带来了更高效的生物制造过程，制造的产物包括氨基酸、抗生素、聚合材料、可再生化学品、高值天然产物、医药中间体等等，几乎覆盖了日常生活中的方方面面。
通过挖掘基因元件、优化基因线路、改造底盘细胞，合成生物学家可以 “自下而上”、以功能为导向合成工程微生物，并将之持续改造，以获得更精简的发酵路径和更高产的 “细胞工厂”。
“我之前一直从事微生物育种与发酵的研究，所合成产物都是微生物天然能合成的，而且采用传统育种技术盲目性太大，难以选育出高产菌株。为此，我就在想能否利用现代基因工程技术使微生物合成出原来不能合成的产物？然后再对途径进行优化提高其产量？”，中山大学生命科学学院合成生物学研究所所长、中山大学生物医药中心副主任刘建忠教授在接受生辉 SynBio 采访时说。
图丨刘建忠（来源：受访者）
刘建忠是国内较早开始研究合成生物学的学者之一，早在 2006 年其团队就尝试将外源的基因簇引入大肠杆菌，并生成了辅酶 Q10、番茄红素、β- 胡萝卜素、玉米黄素、虾青素等物质。
目前刘建忠主要的研究方向是高值天然产物，主要包括两大类：一类是具有强抗氧化、抑菌等活性的芳香化合物，另一类是类胡萝卜素。
合成生物学智能育种
在合成生物学育种技术发展成熟之前，传统育种技术似乎有很大的 “运气” 成分，无论是自然选育还是诱变育种，产生的菌种都有可能进化或者退化，效率较低；而杂交育种可以累积优势突变，但是其操作复杂，故未能大规模应用。
刘建忠教授在上文提到的问题，现在来看，正是合成生物学的应用思路之一。在掌握了底盘细胞基因组信息的基础上，对相应的基因簇进行调整，不同于单点的基因编辑，合成生物学的基因编辑技术往往是对某一基因线路的增、添、删、减，甚至可以引入外源的基因簇，实现的是对底盘细胞某些功能的调整或赋予其不具备的功能。
（来源：cell）
相比传统的微生物育种方式，合成生物学带来的是更智能化的育种。
截至目前，刘建忠团队已经利用代谢工程、合成生物学和系统生物学相结合的微生物分子育种技术，构建了多个国际领先技术水平的产萜类、芳香化合物的微生物细胞工厂。
细胞工厂是合成生物学发酵技术落地的最终形式，其主体是改造的工程微生物。工业化的细胞工厂强调转化率、生产速率和产量等指标，因此，围绕底盘细胞的优化研究也是业界的重点。
提高底盘细胞能量利用率
底盘细胞的改造涉及多方面，例如减少非必需基因的表达，减少细胞内源消耗，减少产物对细胞的毒性等等。
今年 4 月，刘建忠团队在 Biotechnology for Biofuels 上刊文，通过设计改造底盘细胞，提高细胞能量利用率，即生物合成过程中 ATP 和 NADPH 的利用率，最终增加了目标产物的产量。
细胞内的生物合成反应离不开 ATP、NADPH 等辅酶因子的参与，在底物充足的情况下，ATP 等会成为生物反应的限速步骤。
此次研究的目标产物是 4 - 羟基苯乙酸（4HPAA），一种有价值的天然芳香族化合物。在底盘细胞中，合成 1 mol 4HPAA 需要 2 mol ATP 和 1 mol NADPH 参与，研究旨在减少其它生物反应消耗的 ATP 和 NADPH，而集中供应于生产 4HPAA 的主要反应。
为此，研究利用 CRISPR 干扰技术，将 80 个 NADPH 消耗和 400 个 ATP 消耗基因沉默，并从中筛选出不会影响细胞生存并能增加 4HPAA 产量的基因。随后如果将这些基因敲除可进一步增加产量，但某些必需基因的缺失可能会导致细胞营养不良。
因此研究引入了群体感应系统，使必需基因的表达随着细胞群体数量的增加而逐渐降低，最终经过这一系列的改造，4HPAA 产量最高可达为 28.57g/L，产率为 27.64%（mol/mol），均高于文献报道最高值。
文章中将这一系列方法命名为 CECRiS（cofactor engineering based on CRISPRi screening）。
“该方法同样可以用于其他高附加值的产物合成，因为大部分的生物合成过程都需要消耗 ATP 和 NADPH，需要酶的参与，所以可以通过这样一个流程进行优化，该方法的通用性较高。” 刘建忠补充道。
刘建忠还透露，在其最新的研究中采用了无细胞系统合成 4HPAA，产量可再提高一倍。
他解释道，“无细胞合成生物学是近年来发展起来的一种合成生物学技术，对于高毒性、外源途径的不适配、传质限制、存在副产物竞争途径等问题的产物，使用活细胞产率低，无法实现产业化，采用无细胞合成能避免活细胞合成的上述缺陷，可能是一个更好的合成途径。”
需要政策推动产业化
去年，刘建忠成为国家重点研发计划合成生物学重点专项 “鲁棒型人工基因元器件的设计原理与应用” 课题 4（鲁棒型人工基因元件的集成和应用）的负责人。
刘建忠分享说，合成生物学的一个目的就是要像无线电一样，将生物元件标准化、模块化，任何人都可以更方便地获取和应用。这个重点专项就是要建立鲁棒性微生物细胞工厂，使细胞携带的合成生物学元件、装置在大规模工业化生产过程中能稳定发挥作用。
图丨细胞工厂（来源：Nature）
刘建忠认为在当前 “绿色生物制造” 的需求下，大宗原料药和大宗化学品的生物制造路线，是相对容易实现转化落地的应用领域，所以一些省级的项目也是主要围绕这两个行业来设计的。
“在国家重点研发及各级政府科研项目的资助下，一些学者已构建了可以产业化的微生物细胞工厂，而我的研究成果目前也正与企业合作进行产业化攻关研发。”
同时他也指出，“国内合成生物学取得了令人瞩目的成果，尤其是在 “造物致知” 方面，有些已处于国际领跑。但是在‘造物致用’方面，尤其是产业化方面与欧美发达国家还是有很大差距。”
“在食品及食品添加剂方面，国内还没有相关法规，无法获得生产许可，从而限制了其产业化进程。现在越来越多的微生物菌株都是利用合成生物学手段构建的，只有解决了这些问题，才能将技术尽快运用到实际生产中。”
“好消息是领域内的相关人士也都意识到了这个问题，正在积极推进，只是需要一些时间。”