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倪俊 倪俊:合成生物学已被认为是21世纪最重要的生物技术平台

导语:12月10-11日,由浙江省人才办、绍兴市委、市政府主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》暨《麻省理工科技评论》中国“35岁以下35项科技创新”颁奖仪式在绍兴上虞举行。2020年中国“35岁以下科技创新者”名单正式发布。 会上,上海交通大学特聘研究员、长期从事教学工作的副教授君妮以“光

12月10-11日,由浙江省人才办、绍兴市委、市政府主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》暨《麻省理工科技评论》中国“35岁以下35项科技创新”颁奖仪式在绍兴上虞举行。2020年中国“35岁以下科技创新者”名单正式发布。

会上,上海交通大学特聘研究员、长期从事教学工作的副教授君妮以“光驱动合成生物学”为主题发表了演讲。以下是演讲结束后的记录:

从《侏罗纪公园》中利用克隆技术复活恐龙,到《逃离克隆岛》中克隆人进行器官移植,再到哈佛大学研究人员提出的复活猛犸象的可行性方案,再到中国科学家成功研制出人体移植。猪的器官,“将科幻电影的情节变成现实的背后,依靠的是同样的技术——合成生物学。”君妮说。

所谓合成生物学,就是基于基因读写技术的发展,简单地利用工程设计理念改造或创造人工生命系统,让细胞完成设定的任务。2000年,美国科学家詹姆斯·j·柯林斯开发了基因开关,这通常被认为是合成生物学的开端。2010年,克雷格·文特尔创造了第一个人工生命。之后,合成生物学迅速发展,出现了一系列里程碑式的工作,如非天然核酸、蛋白质的从头设计、单染色体酵母和大肠杆菌基因组的完全合成等。

“虽然合成生物学是生命科学的一个新分支,但它已被认为是21世纪最重要的生物技术平台。”君妮副教授强调了这项技术的重要性。早在2004年,《麻省理工科技评论》就将合成生物学评为改变世界的十大新技术之一。合成生物学受到世界各国的重视。美国认为它是21世纪优先发展的六大战略技术。欧盟对合成生物学的投资占研发总投资的三分之一。我国还将合成生物学列为战略性前瞻性重点发展方向,并设立了国家重点研发计划——合成生物学。

“人工细胞工厂是目前应用最广泛的合成生物学,”君妮介绍。所谓人工细胞工厂,就是把微生物细胞当作微型工厂,引进定制化的生产线,生产我们需要的东西,包括生物燃料、可降解塑料、食品、药品等等。因此,细胞工厂具有非常重要的应用前景。2013年,美国科学家将青蒿素合成引入酵母,并开发了一个利用葡萄糖生产青蒿素的人工细胞工厂。

基于这项技术,在100立方米发酵罐中获得的青蒿素量相当于从5万亩油蒿中获得的产量,这使抗疟药物的成本降低了90%以上。利用合成生物学技术,我们还可以开发生产大麻素和神经药物的人工细胞工厂。

君妮的团队今年通过合成生物学实现了熊果苷和其他糖苷的生产。当然,他们的工作并不仅限于此。在演讲中,君妮介绍了团队的一系列工作:介绍了香兰素在大肠杆菌中的合成路线,构建了细胞工厂并开发了温控策略,使香兰素的产率和产率达到了世界最高水平;细胞工厂构建了聚乳酸、工业原料1,3-丙二醇、戊二酸等多种可生产可降解塑料的物质,实现了可降解塑料聚乳酸和天然香料的产业化...

在君妮团队的众多成果中,最耀眼的无疑是他们提出的“光驱动合成生物学”。君妮表示,基于异养微生物的传统细胞工厂没有实现真正的绿色生产。他说:“早在100多年前,科学家就提出,真正的绿色合成是用类似植物的方法生产化合物,而碳回收也被认为是合成生物学的最高成就之一。目前,科学家已经利用合成生物学技术转化了大肠杆菌和酵母,获得了可以利用二氧化碳的微生物。然而,这些微生物生长缓慢,固碳效率低,已经失去了应用价值。

研究小组注意到,自然界中有一种光合自养微生物——蓝藻,可以利用太阳能固定二氧化碳,其太阳能利用效率几乎是陆生植物的10倍。“我们发现,蓝细菌特殊的类囊体结构使得几乎所有来自植物的基因都有可能表达出来,包括很多在大肠杆菌等常见微生物中难以表达的基因。同时,光合作用产生的能量和还原力会促进合成反应,因此蓝藻非常适合生产天然产品,”君妮说。基于这类微生物,他们提出了光驱动合成生物学:利用蓝藻中的藻类作为光驱动细胞工厂,并向其中引入不同的生产线,从而直接利用二氧化碳合成乳酸、1,3-丙二醇和天然产物等不同的化合物。

目前,君妮的团队已经建立了世界上最大的天然产品光合细胞库,包括数百个光驱动细胞工厂。二氧化碳直接生产的天然产品可广泛应用于医药、保健和化妆品行业。

君妮介绍,这种光合细胞库具有广阔的应用前景。例如,光盘细胞工厂生产的柚皮素可以帮助抑制和治疗新冠肺炎,而天然产品如白藜芦醇和熊果苷可以用于生产保健品和化妆品。“Narngenin具有抗病毒作用,并能竞争性结合上皮细胞的ACE2受体,从而阻止新冠肺炎的入侵,因此可用于预防新冠肺炎氏病。同时,柚皮素可以缓解肺部的炎症反应,因此可以用于治疗新冠肺炎等疾病。”他解释道。

此外,光驱动合成生物学也可以应用于细胞治疗。该团队利用红球藻和光动力疗法的结合实现了对小鼠乳腺癌的治疗。这种方法对癌细胞的抑制效果接近100%。他们称这种创新疗法为蓝细胞疗法,工程蓝细胞也可以用于治疗代谢性疾病

他的团队在光驱动细胞工厂方面的工作一直被选为国际期刊的封面。与以往技术相比,这一新型合成生物平台优势明显,具有商业价值和产业化前景,有望在未来改善人类生活。

目前,君妮团队正在主持国家重点研发计划下的首个光驱动合成生物学项目,并以优势加入国内R&D团队,希望打破科研成果转化的最后一公里。“2019年,合成生物学被美国列入技术封锁名单,但我国在合成生物学领域的研究水平并不弱。我也相信,世界上第一家光驱动合成生物公司很快就会在中国诞生。”君妮在演讲结束时说。

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