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繼 “DNA 雙螺旋發現” 和 “人類基因組測序計劃” 之后，合成生物學有望掀起第三次生物技術革命，將向農業、醫藥、健康及環境等領域不斷深入發展。

近兩年來，這一學科也引起了學術界和產業界的眾多關注。據 CB Insights 統計，2021 年，全球合成生物初創企業融資達 180 億美元，一年的融資額接近此前 12 年間（2009 年至 2020 年）獲得的所有投資金額，并有望在今年再創新高。

僅在上半年，就有眾多合成生物學初創企業完成了融資，如昌進生物、百福安、微元合成生物、衍微科技和微構工場等。但其實合成生物學產品真正走向產業化仍需兼顧上游、中游和下游等過程。諸多學者也對此發表了自己的看法。

近日，生輝 SynBio 有幸邀請到了李寅老師，和我們分享其對于合成生物學及產業發展的看法。

合成生物產業正處于布局發展階段

生輝 SynBio：你從什么時候開始接觸合成生物學？

李寅：我的研究方向是代謝工程，本身就是合成生物學的一個重要領域，也是合成生物學最接近產業的一個領域。

系統接觸合成生物學，應該回溯到 2010 年 5 月，Craig Venter 在 Science 上報道了首例具有人工合成 DNA 的細胞 “Synthia”，我參與高福老師及其研究生孫明偉撰寫的一篇文章 “從人類基因組到人造生命：克雷格文特爾領路生命科學”，發表在《生物工程學報》2010 年第 6 期。

（來源：生物工程學報）

隨后，在中國科協的支持下，楊煥明、高福老師與我在蘇州組織召開了一次 “合成生物學的倫理問題與生物安全” 學術沙龍。這次活動主要討論了四個問題，包括：(1) 合成生物學應該研究什么？(2) 我國應當怎樣更好發展合成生物學？(3) 發展合成生物學存在哪些倫理問題，應當怎樣去規范？(4) 在合成生物學的發展過程中，媒體、大眾和政府的角色是什么？

在楊勝利、曹竹安、趙國屏、張先恩等多位老師的推動下，合成生物學研究逐漸受到重視。2010 年 12 月，由馬延和老師擔任首席科學家的 973 計劃重大科學問題導向項目 “人工合成細胞工廠” 啟動，這是我國合成生物學領域布局的第一個重大項目，我也參與做了一些工作。

生輝 SynBio：據了解，你曾在大學和科研院校就職，您覺得在這兩者工作有何差異？各給您帶來了怎樣的啟發？

李寅：中國的大學和科研院所都是推動合成生物學研究的重要力量。如果科研機構具有組織力、協調力，則更容易開展一些更基礎、更系統、難度更大的科研和研發。

近期，由于產業資本和社會資本對合成生物學的關注，合成生物領域的企業研發中心和初創公司如雨后春筍般出現，在研發上形成了 “高校 - 科研院所 - 企業” 三駕馬車并駕齊驅的態勢，這有助于形成政府 - 科研 - 產業 - 資本的合力。

目前，合成生物學產業正處于布局發展階段，產業生態尚未形成。需要有真正創新體制機制，貫通資本、知識、科學、技術和產業的新型研發機構，來助力合成生物產業的發展。

已構建 “最簡酶促合成碳固定循環”

生輝 SynBio：我們關注到你在人工固碳方面有很大進展（創建最小化的人工固碳循環），你當時選擇此研究的思路是什么？

李寅：我們從 2009 年開始從事二氧化碳的生物轉化研究。從天然光合生物的代謝途徑改造，到新型固碳酶的發掘和改造，再到人工固碳途徑的設計合成，我們對這個方向的認識不斷深入，思路也在不斷調整和轉變。

已知天然固碳途徑一般都要十步反應以上。我們研究的出發點很簡單：能不能減少一些反應步驟？最后，肖璐博士做成的 POAP 循環，只用四步反應就實現了人工生物固碳，反應步驟接近理論最少極限，被張先恩老師近期的文章《世界生命科學格局中的中國》點評為 “最簡酶促合成碳固定循環”。

▲圖丨 POAP 循環（來源：論文）

生輝 SynBio：你怎么看待近一年來我國科學家在人工固碳方面取得的一些研究進展（二氧化碳合成淀粉，二氧化碳合成脂肪酸和葡萄糖的脂肪酸）？你覺得合成生物學的出現給人工固碳帶來了哪些突破？

李寅：在 “碳達峰、碳中和” 的國家戰略下，我國科學家近年來在化學法、生物法、化學 - 生物法實現二氧化碳的轉化利用方面都取得了很大進展。

馬延和老師領導完成的人工合成淀粉工作，其重要性不僅僅是科學上的創新，更重要的是同時瞄準 “碳中和” 與 “糧食安全” 的重大問題，孕育著可預見的豐富應用場景和巨大的產業機遇，是一項同時具有 “大、實、新” 特點的 “0 到 1” 科技突破，意義重大。

這一重大突破，本質上是創建了一種新的能量利用方式，利用盡可能高效的能量輸入，和盡可能少的反應步驟，將二氧化碳轉化為長碳鏈有機物質。

究其根本，是人類一直在努力改變對傳統能源和資源的利用方式和水平，不斷突破自然界已有的物質和能量轉化路徑和效率。這類突破在人類歷史上不斷出現，帶動人類文明不斷向前發展。

近期的二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸成果，以及未來可能出現的類似研究成果，都可歸結于此。

這些 0 到 1 的優秀科研成果如何轉化為生產力，實現 1 到 100 的社會價值，將更有意義，也非常值得期待。

技術驅動 VS 市場驅動

生輝 SynBio：請問你之前有沒有一些技術轉化案例？如有的話，在產業化之路是否有遇到一些困難又是如何解決的？可否與我們分享一下。

李寅：生物技術以創新產品為導向，實現技術的產業價值是很多研究人員的目標。我們也與很多國內外企業開展過合作，通過對生產菌種或酶進行改造優化，在工廠原有設備、工藝條件下提升產能和效率，為企業帶來效益。

新酶、新菌種從實驗室走向工廠的過程中，會遇到一些和實驗室條件下很不一樣的挑戰。企業工程技術團隊能力越強，新技術就越容易實現產業化。同樣，研發人員越了解產業化過程中的約束條件，就越有利于在實驗室做出符合產業需要的技術。

生輝 SynBio：你覺得合成生物學在選品層面，還需要考慮哪些因素？除了選品，合成生物學走向市場需要還需要解決哪些問題？

李寅：最近大家討論很多選品的問題。選品主要是兩個方向：一是有現成市場，能不能以更低的成本做出來。二是沒有現成市場，能否低成本做出來，并創造市場。這兩個方向，從根本上說是市場驅動還是技術驅動的問題。

從長遠看，通過新技術、新產品來創造新的需求，更有想象力和發展空間，當然難度也更大，其中涉及監管審批方面的問題，需要政府部門更多的支持。

以中國科學院天津工業生物技術研究所的張學禮博士和中國科學院微生物研究所的陶勇博士為代表的一批科學家，在這兩個方向上都做出了示范性的貢獻，推動了相關產業的發展。

新技術、新產品在實現產業化、創造新市場的道路上肯定會遇到各種困難，會遇到技術、市場、資金等各方面的風險，這些風險主要都是企業家在承擔。實驗室的科研可以在近乎理想的狀態下進行，但技術的商業化就需要考慮很多邊界條件的約束。

因此，企業家的視野、格局、胸懷以及對創新的追求，決定了新技術產業化的速度。在合成生物制造領域，我們已經看到數位具有這樣特質的企業家， 他 / 她們對合成生物科技創新的熱情，令人尊敬。

一個產品從實驗室走向市場，資金、技術、市場、時機，缺一不可。在這個過程中，技術是關鍵因素，但不是成功的唯一要素。生物制造產業要發展成為國民經濟的支柱產業，還有幾方面的問題需要解決。

一是生物制造產業規模不小，但滿足替代性需求的企業較多，真正能做出劃時代創新產品的企業，其出現可能還需要等待。

二是相對于石化制造，目前生物制造的產業鏈較短。生物制造企業多數是 2B 的，2C 的很少，對經濟和市場的影響力仍十分有限。

三是支撐產業鏈發展的內容生產、價值增值等服務業態，在生物制造產業領域基本還沒有成形，阻礙了公眾對生物制造的理解，間接也導致了 2C 的門檻。

歷史始終是最好的老師。回望信息產業的發展可以發現，當年 IBM 這類公司，愿意把計算設備從專用轉化成民用，然后才有了軟件行業的興起，才有了今天基于 APP 的服務行業的繁榮。

為生物制造產業找到一種合理的 2C 的硬件平臺，加速發展生物制造軟件（酶和菌種）的規模化定制，把內容生產同樣作為企業的重要產品，對生物制造產業的跨越發展至關重要。

生輝 SynBio：你覺得最近幾年，中國合成生物學領域最大的變化是什么？從技術角度看，合成生物學有哪些里程碑式的突破？

李寅：近年來中國合成生物學領域的發展，主要得益于在國家和地方支持下，布局建設了一批科技平臺，如中國科學院天津工業生物技術研究所（國家合成生物技術創新中心），中國科學院合成生物學重點實驗室，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所 / 中國科學院深圳理工大學（籌）合成生物學院，天津大學合成生物學前沿科學中心，清華大學合成與系統生物學研究中心，北京化工大學北京軟物質科學與工程高精尖創新中心，上海交通大學合成科學創新研究中心，江南大學未來食品科學中心等。

依托這些合成生物科技平臺，一大批青年人才成長起來。他們有從海外學成回來的，也有在國內一路成長起來的，分布在高等院校、研究院所、企業研發中心和初創企業，為中國合成生物學的快速發展奠定了智力基礎。

合成生物學這兩年開始 “井噴” 式的發展，從底層技術的角度，得益于 DNA 測序、合成、編輯三大技術的不斷突破和成本的顯著降低。

現在，每一個研發單元，都能夠按照自己的設計思想，對自然生物系統進行不同程度的設計改造，或創建出全新的生物體系。每一個全新體系的創建、每一次自然極限的突破，都在打破我們認知的邊界，發揮合成生物學從 “建物致知” 到 “造物致用” 的強大力量。

目前的合成生物學研究，對專用研究設備、設施和平臺的依賴性比較強。未來，合成生物學底層技術與物聯網、自動控制、大數據、人工智能等技術的結合，不僅會大幅降低其從研發到產業化的門檻，也有可能創造出新的需求。

如同計算設備直到個人計算機出現才形成了龐大的產業需求，真正進入了信息時代；合成生物學要實現大規模發展，其研發和應用平臺的云端化、C 端化、個性化，是非常值得期待的未來方向。

社會需求和技術創新驅動合成生物學發展

生輝 SynBio：近年來，合成生物學發展迅速，學術界和產業界均有很大突破。你覺得背后的原因是什么？你認為合成生物學發展前景如何？

李寅：近年來合成生物學的快速發展，社會需求拉動和技術創新驅動兩個方面的因素都有。

從社會需求方面看，面臨人口增長和老齡化、資源能源短缺、氣候與環境變化這些問題，人類的可持續發展如何實現，需要有新的解決方案。

從技術創新方面看，DNA 的讀、寫、改技術的低成本化和高通量化，使我們能夠按照人類的意愿，對生物體系進行人工設計、改造和創建。

在 “碳達峰、碳中和” 的背景下，合成生物是實現物質財富可持續增長的重要途徑。

一方面，“雙碳” 目標給各類 “低碳” 產業路徑提供了強大的政策動力；另一方面，碳交易、碳市場等快速成熟的機制，也在一定程度上為這些替代技術快速上馬和迭代提供了成本補貼和競爭優勢，引導了各類制造企業不斷投入合成生物學驅動的企業轉型。

假設 70% 的化工產品以及 300 萬種新分子能夠通過合成生物實現制造，2025-2030 年將是合成生物制造的快速成長期，而 2030-2060 則將是合成生物制造的爆發增長期。

我們可以樂觀地預計，到 2060 年，全球合成生物制造形成的產值，將超過 10 萬億美元，發展空間是巨大的。

生輝 SynBio：從國家戰略的角度來看，合成生物學已被提到很高的戰略地位，如剛發布的 “十四五” 生物經濟發展規劃，你覺得未來幾年，有哪些方面的進展能令合成生物學再上一個臺階？

李寅：從生命科學學科發展的角度看，合成生物學本質上是高階、高版本的 DNA 操控技術。它的發展，源于我們對自然界生物多樣性及其重要性的深刻認識。通過學習自然、改造自然、超越自然，合成生物學為實現我們所居住星球的可持續發展，提供了一種新的可能性。

“十四五” 生物經濟發展規劃中，多處提到合成生物學。確實，合成生物學在醫療、健康、糧食、食品、制造、環境等領域，都會發揮越來越大的作用。

更低成本、更高通量的 DNA 合成技術，將會進一步促進合成生物學研究的普及和應用；更高效、更精準、更簡便的 DNA 編輯技術，將在醫學、農業和工業應用領域發揮巨大作用；基于人工智能的蛋白質設計技術，以及細胞工廠的高效構建和調控技術，將會徹底改寫很多物質的合成路線，并會極大地加速從 DNA 到產品的速度。

當然，如果站在更宏觀的尺度上看，融通 BT 和 IT 的云端化、C 端化、個性化的生物技術平臺，也許會顛覆未來研發和應用模式，可能會為合成生物學的發展，帶來目前我們還無法想象的更多可能性。

生輝 SynBio：生化環材一直被認為是四大天坑專業，近年來，生物技術的發展或為生物從業者帶來了一些曙光，作為從事幾十年生物研究的科學家，請你談一談您這些年來的心路歷程？

李寅：一部人類發展的歷史，實質上是人類不斷創新對資源、能量和信息利用方式的歷史。從科技的角度，凡是具有改變資源、能量和信息利用方式的學科，長遠來看，都具有強大的生命力。

近百年來，生化環材四大專業的創新，一直在改變人類的生活方式，讓我們的環境更加美好，物質更加豐富，生活更加富足。我們可以點出很多很多生化環材專業背景改變人類生活的科學家和企業家。

所以，并不存在所謂的 “天坑” 專業，關鍵在于學習專業的人，是否有愿意改變人類發展和社會進程的智慧、勇氣和熱情。