吃空气产万物的“蓝藻工厂”走入现实｜懂点科技

文 |《瞭望》新闻周刊记者 董雪 许东远

　　你见过“细胞工厂”吗？

　　近日，《瞭望》新闻周刊记者独家采访到上海交通大学生命科学技术学院特别研究员倪俊，他的实验室随处可见装着绿色液体的小瓶子和大罐子，里面是经科学家改造后的蓝藻细胞。这些蓝藻细胞快速繁殖，只要有空气和阳光，就能得到葡萄糖、甘油、姜黄素、白藜芦醇等各类产物。

蓝藻细胞正在经历“驯化”过程 董雪摄 / 本刊

　　“我们做的是以阳光和空气为原料的‘细胞工厂’，使用基因编辑等合成生物技术改造光合微生物蓝藻，利用蓝藻繁殖速度快、光合作用效率高的特点，规模化生产特定物质。”倪俊说。

　　理论上来说，只要是自然界植物能产生的物质，都能用蓝藻来生产。2015年，倪俊首次用蓝藻生产出一系列高附加值天然产物，让人们看到了光驱动合成生物的前景。采访中，记者了解到团队又有了新突破——蓝藻与各种工业菌组成了“搭档”，蓝藻负责生产糖等能源物质，“搭档”菌吃掉这些能源物质进一步生产，以此更快生产更多种类的目标产物。

　　前沿科学研究已经走入工厂。倪俊以天然活性抗氧化成分白藜芦醇（抗衰老护肤品里的常见分子）为例测算，葡萄、花生等植物中的白藜芦醇含量通常不足万分之一，使用蓝藻细胞每生产一吨白藜芦醇，生产周期可以相应缩短为1/240，节约土地72750亩，生产成本降低50%到70%。

蓝藻生万物的可能性有多大

　　走进实验室，记者见到的第一个场景就十分有趣——实验室摆放着一排外形酷似烤箱的设备，从透光的玻璃窗口向内看去，可以看到一个个密封的锥形瓶或试管随着机器快速摇晃，就像蓝藻们的“摇篮”。

　　“烤箱”里的光是模拟光合作用所需的太阳光，摇晃则是加快瓶内气体交换的速度。仔细看去，瓶内液体都是绿色，但深浅不一，取决于改造方向或培养时间的不同。

　　“这瓶是生产甘油的，这瓶是生产蔗糖的，这瓶是生产樱花素的，这个是用凝胶把蓝藻包裹起来方便重复使用……”倪俊指着设备内的瓶瓶罐罐依次介绍，改造后的蓝藻要先在这里小规模培养，确定改造成功才会进入放大生产环节。

　　世界上的微生物千千万万，怎么会想到改造蓝藻呢？倪俊解释，合成生物发轫于本世纪初，早期的“细胞工厂”主要是改造大肠杆菌、酵母菌等。这些工业菌在医药、化工、农业等方面已有非常广泛的应用，例如我们熟知的重组人胰岛素就是利用大肠杆菌生产的。

　　原料一般是葡萄糖，成本较高，并且存在与人争粮的风险。后来“细胞工厂”出现迭代，原料变为废弃秸秆、废弃油脂等非糖生物质，但仍称不上真正的“绿色合成”。

　　能不能直接利用植物的光合作用，用空气中的二氧化碳当原料？多年前还在攻读博士学位的倪俊有了一个大胆的想法：蓝藻能表达几乎所有植物源的基因，而且内部结构相对简单便于改造，还可以直接利用太阳光驱动二氧化碳合成产物，非常适合用作植物天然化合物的生产平台。

　　倪俊表示，改造的过程其实不复杂，第一步是明确想得到什么物质，比如某种材料分子或者药物分子。然后分析这种物质在植物中的代谢路径，将路径中需要的每一个基因都编辑到蓝藻中去。接下来，就是通过调控每个基因的表达程度得到每个酶的最佳表达量，把合成效率提到最高。相关成果2016年发表在国际学术期刊《绿色化学》。

　　为了理解这一内容，不妨让我们回想一下中学生物课程中关于植物细胞内化学反应和基因表达的内容。植物细胞将一种物质转化为另一种物质，是依靠一系列酶发挥催化作用。这些酶属于蛋白质，是特定基因片段转录翻译的产物。简单来说，用“基因剪刀”把相关基因片段剪辑下来，再插入蓝藻细胞的基因序列中，那么蓝藻细胞就具备了合成这种物质的能力。

　　在“蓝藻摇篮”旁，记者看到了一个蓝藻保种柜，柜子里存放着数十种蓝藻，它们都是改造得比较成功的品种。从产物的角度上看，这些蓝藻已经变成了葡萄、花生、人参，或是其他某种植物。但蓝藻不是万能的，有些物质它无法生产，也有些物质能生产但效率不如其他微生物高。

让蓝藻变成“发动机”

　　两只鸟分工协作，一只负责在外寻找树枝，一只负责筑巢。这是2023年1月国际学术期刊《德国应用化学》的封面，倪俊团队相关研究成果“高兼容度的人工光合菌落用于负碳生物合成”发布于该期刊物。两只鸟分别代表两种微生物，其中一方负责生产糖等能源物质，另一方利用这种能源物质生产目标物质。

　　倪俊以此次成果为例介绍，蓝藻本身就能生产蔗糖，但蔗糖作为较大的分子无法传到蓝藻细胞外供其他微生物使用。

　　首先，团队为蓝藻细胞引入了一个特别的基因（蔗糖透性酶基因），它可以表达成在蓝藻细胞膜上的转运蛋白，相当于为蔗糖开“一扇门”。

　　第二步：找到能高效利用蔗糖的工业菌种。大多数工业菌种不能吸收蔗糖，团队大量筛选后找到了需钠弧菌，它不仅利用蔗糖的效率高，而且生长速度快，改造起来周期短。

　　第三步：把两种菌放在一个罐子里培养，蓝藻和需钠弧菌巧妙地构成了一个自循环系统。前者吸收二氧化碳、产生蔗糖和氧气，后者利用蔗糖和氧气、产生二氧化碳。

　　蓝藻与需钠弧菌的协作是一个缩影，这种生产方式充满了想象力。此前运用各种工业菌进行化工生产已经成熟，现在“蓝藻工厂”从单纯的生产线升级成了能源供给端，理论上意味着它可以与各种工业菌匹配起来，将空气变成目标物质。

　　倪俊介绍，团队为此改造出可以直接生产葡萄糖或甘油的蓝藻。“葡萄糖和甘油几乎是所有微生物都能吃的，这样蓝藻就可以与更多工业菌搭配起来。”

　　在“蓝藻摇篮”区域，记者看到一个没有模拟光照的设备，工作人员介绍，其中培养的是一批改造后的蓝藻搭档，它们不需要光。培养好的微生物会被拿到下一个实验室“破壁”，顾名思义就是用高压生物细胞破碎机把微生物破开，释放出基因表达的蛋白质，再经过提取纯化、蛋白电泳（通过检测蛋白质大小判断其是不是目标蛋白质）等环节检测改造是否成功。

　　如果改造成功，这些微生物可能还要经历一个“驯化”过程。这个过程隐含着微生物进化的密码。微生物看起来微小而脆弱，但从对环境的适应能力上看，远比其他大体型物种强大。

　　驯化发生在几百毫升的培养瓶中，人类用肉眼看去无声无息，实际却有无数蓝藻细胞不断死亡又不断新生。倪俊以生产甘油的蓝藻为例解释说，驯化是要提升这种蓝藻对甘油的耐受度，让它们更快更多地生产甘油。

　　“微生物进化速度非常快，它们会发生各种各样的基因突变，我们不断提高培养液中的甘油浓度，让那些发生了正向基因突变的蓝藻活下来。”倪俊说。

打造“蓝藻产业集群”

　　最后的环节是实验室里另一个有趣场景：设备由一个敞开式的透明玻璃罐和一根透明玻璃管连接而成，像铁丝绕成弹簧一样，长长的透明玻璃管绕了十层高，绿色液体就在其中持续循环。这是“放大”环节，把改造完的微生物拿来规模化培养。

　　细心的读者可能会发现一个关键词：“敞开式”，这说明放大培养不再需要无菌环境。前文介绍的小规模培养都严格要求无菌，容器是密封的，即使开封操作也要在超净工作台完成。

　　“我们希望规模化生产能在敞开式环境中进行，无菌操作复杂且成本高，会影响技术的实用价值。因此必须解决培养环境污染的问题，不然几天时间蓝藻就没了。”倪俊说。

　　碳、氢、氧、氮、硫、磷是所有生命必需的基本元素，但绝大多数生物（包括蓝藻）都不能使用亚磷酸盐。团队巧妙地给蓝藻引入一个可以把亚磷酸盐转变为磷酸盐的基因，赋予蓝藻使用亚磷酸盐的本领。如此一来，这个培养环境只适合改造后的蓝藻生存，不必担心污染问题。

　　用前沿科技解决产业化过程中的问题，记者还听倪俊介绍了几个脑洞大开的巧思。

　　“光遮蔽”很容易理解，是指蓝藻与搭档菌一起培养时，搭档菌会遮挡光，影响蓝藻的光合作用。怎么解决呢？倪俊给搭档菌转入了一种来源于动物的光转化蛋白，效果相当于给其装入光转换器，可以将照射过来的白光转换为特定波长的光给蓝藻使用。

　　另外，不管是单独用蓝藻，还是两种微生物协同，产物会受到一定限制。比如，无法生产光敏感的物质，就像很多药物得装在深色瓶中，光敏感物质遇光会自动分解。团队采用将蓝藻和搭档菌的生产环节分开的方法。先进行蓝藻的光反应，生成稳定的酚酸类化合物，比如肉桂酸、对香豆酸、阿魏酸；然后接入搭档菌的暗反应，搭档菌将酚酸类化合物转化成目标产物。相关成果已于2023年5月发表在国际学术期刊《自然·合成》。

　　目前，倪俊团队正在建设一条产量约10吨的规模化生产线，用来生产高附加值产物。通过技术转让的方式，部分技术已走入工业生产。

　　放眼全球，国内外合成生物学的进度相差不大，甚至我国在一些技术和工业基础上还有优势，例如第一个将酿酒酵母的16条染色体重新设计并人工合成为1条的就是中国团队。如果说还有什么技术让团队特别关注？倪俊最先想到的是人工智能在合成生物上的应用。

　　“合成生物领域，人工智能技术改造酶等蛋白质的速度已经很快了。”倪俊说，团队也开发出一套算法测算酶与酶之间的最优空间关系，以此提高物质合成效率。以往业界用人工手段尝试的构建方案不会超过10种，现在利用该算法可以从几千种方案中选出最优解。

　　不过，由于细胞代谢网络十分复杂（由上万种代谢物、上千种酶，以及它们之间错综复杂的相互作用构成），人工智能还不足以直接在细胞层面构建高效准确的代谢模型。另外，目前还难以获取大量精准的实验数据来训练相应的模型，同时设备导致环境条件细微的变化就能改变细胞几十甚至上百个基因的表达水平，从而影响整个代谢网络。但如果有一天，人工智能获得了这项能力，毫无疑问将给医药、化工领域的很多产业带来颠覆。

　　“将科研与企业相融合，促进人工智能技术与合成生物学交叉发展，将为合成生物产业提供关键助力。”倪俊说。