【轉(zhuǎn)載】丁奎嶺院士：合成科學，通往“物質(zhì)自由”的希望之門
合成生物學作為催動原創(chuàng)突破、學科交叉融合的前沿學科，已成為繼發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)所催生的分子生物學革命、人類基因組計劃實施所催生的基因組學革命之后的第三次生物技術革命，被《自然》《科學》等國際頂尖期刊及多國智庫評為十大顛覆性技術之一，已成為新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的前沿焦點，各國競相在這一領域制定發(fā)展路線圖。
隨著生命科技（BT）與信息科技（IT）的融合發(fā)展，合成生物學將人類帶入了設計、創(chuàng)造生命，繼而走向“物質(zhì)自由”的全新階段，有望改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。如今，在人工智能的引領與賦能下，合成生物學走到了一個至關重要的發(fā)展關口，一些指向未來的創(chuàng)新“核爆點”正在形成。
這一顛覆性技術、革命性思維將引發(fā)怎樣的變革？在上海市中國工程院院士咨詢與學術活動中心日前舉行的合成生物學專題院士沙龍上，中國工程院院士楊勝利、中國科學院院士丁奎嶺分別作了學術報告，從不同角度介紹合成生物學即將開啟的未來“造物時代”所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。
——編者
合成科學是分子創(chuàng)制的核心和基礎，包含化學合成和生物合成兩種重要方式，它與生命、健康、農(nóng)業(yè)、材料和能源等領域密切關聯(lián)。未來的合成需要高水平的創(chuàng)造力和洞察力去探索無限可能性，讓人類在分子創(chuàng)制方面獲得更大自由。
跨越生物學與化學兩大學科的合成科學，是一個有望在未來形成創(chuàng)新“核爆點”的領域。三大生命物質(zhì)合成、生物降解與轉(zhuǎn)化，乃至DNA信息存儲和計算等領域的發(fā)展，都需要生物合成與化學合成的融合。作為中國合成生物學研究的重鎮(zhèn)之一，上海應積極作為，引領中國成為世界合成科學學術中心之一。
合成創(chuàng)造“影響世界的分子”
合成包括化學合成與生物合成，其目的是創(chuàng)造有功能的物質(zhì)。分子創(chuàng)制對整個人類的影響非常大，它從生命健康、農(nóng)業(yè)、材料、能源等多方面改變了人類的生產(chǎn)生活方式。
到目前為止，人類能夠合成或鑒定的分子有多少種？截至2021年5月的數(shù)據(jù)是1.5億個。根據(jù)化學空間理論預測，人類能夠創(chuàng)造的分子數(shù)量有多少？答案是10的63次方！因此，人類迄今所觸及的分子合成空間，只是滄海一粟。
切莫小覷了小小的分子，一個小小的藥物分子一年銷售額可以高達200億美元，價值相當于近200架大飛機。比如，索非布韋12周可以治愈丙肝，青蒿素讓人類不再懼怕瘧疾，而合成氨、液晶等分子的合成創(chuàng)制，更是給人類社會帶來了劃時代的影響?？梢哉f，現(xiàn)代社會人類70多歲的平均壽命，與物質(zhì)的創(chuàng)造及其所帶來的技術發(fā)展為人類帶來的福祉息息相關，它使我們的生命延長，也使我們的生活更便捷、更美好。
分子合成的發(fā)展，從化學角度大致經(jīng)歷了從無機到有機、從平面到立體、從小分子到大分子、從簡單到復雜的過程。未來的合成一定是精準、高效和綠色的，而合成的分子一定是具有功能的。這也是為什么合成生物學從誕生之初就受到非同尋常的關注，盡管這門學科及產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中還有很多極具挑戰(zhàn)的技術問題需要攻克，但它的確是人類通往未來合成與理想分子的“希望之門”。
“細胞工廠”讓物質(zhì)合成更簡單
合成科學面臨的最大機遇和挑戰(zhàn)是什么？首先是要想辦法讓分子合成變得更簡便。以復雜藥物分子為例，現(xiàn)在很多藥物分子的合成非常繁瑣，有的甚至需要經(jīng)過幾十個步驟，為此科學家正在嘗試更簡單的合成路徑。比如，通過合成生物學的途徑可以生產(chǎn)清潔燃油，用生物方法“吃掉”塑料。未來，合成生物學若能實現(xiàn)常溫常壓下人工固氮，將會對人類功莫大焉，要知道，目前工業(yè)合成氨消耗了地球上2%的能源。
由化學家創(chuàng)造的三大合成材料塑料、合成纖維、合成橡膠，結(jié)束了人類依靠天然材料的歷史，徹底改變了人類的生活方式。可以說，當前人類的合成科技已經(jīng)達到了空前的成熟度。人類甚至一度認為，無論多么復雜的分子，只要結(jié)構(gòu)明晰且穩(wěn)定存在、只要有充足的資源供應，就能將它合成出來。
但事實是，很多分子的合成非常困難，研發(fā)一款新藥平均需要篩選10萬個化合物、花費超過10年時間和10億美元。能不能有更簡單的方法？新興的點擊化學將引領這一潮流，它讓分子鏈接變得像系安全帶那樣方便、精準，日益成為材料、制藥、生物學研究中的常用工具。
合成生物學本質(zhì)上是一個“細胞工廠”的理念，它將細胞作為一座工廠，以酶促反應作為橋梁，在基因與最終產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)之間建立邏輯關聯(lián)，基于細胞工廠提高產(chǎn)量，加速分子的進化、演變和拓展應用。它將分子合成的一道道工序都濃縮在“細胞工廠”里去完成，這就使物質(zhì)的合成變得輕而易舉。
目前，合成生物學已經(jīng)歷了20多年的快速發(fā)展。大約10年前曾有一場激烈論戰(zhàn)，探討合成生物學與合成化學誰更具優(yōu)勢。與化學合成相比，合成生物學有其獨到的優(yōu)勢，例如中間體無需純化、不需要保護基、高立體選擇性、利用可再生資源等。現(xiàn)在看來，它們最終一定會走向交叉融合，讓我們實現(xiàn)創(chuàng)造物質(zhì)的自由。無論是在細胞工廠還是在真實的工廠中合成物質(zhì)，人們總希望它具有定量的收率、完美的選擇性且沒有廢物產(chǎn)生，歸結(jié)到最基礎的科學問題，仍然是化學鍵的活化、斷裂和重組。
抓住機遇搶占合成科學制高點
隨著化學和生物學的發(fā)展與技術進步，化學合成與生物合成出現(xiàn)了由點到面的快速融合、相互促進的趨勢，為合成科學帶來了前所未有的創(chuàng)新機遇。未來的合成科學應以功能分子創(chuàng)制為導向，以合成化學與合成生物學為綱，尋求二者從理論到技術的全方位深度融合，突破傳統(tǒng)的學科研究范式，拓展合成科學發(fā)展的新空間，由此構(gòu)建我國在合成科學領域的新格局，在把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命重大機遇的同時，搶占未來合成科學領域的制高點。
上海在合成生物學領域有著自己的優(yōu)勢，我們沒有理由不把它做好。例如在青蒿素的合成上，目前僅通過合成生物學途徑只能到青蒿酸。上海交通大學通過合成生物學與合成化學的融合，再用兩步化學合成，就可以將青蒿酸變成青蒿素。目前團隊得到的青蒿素結(jié)晶純度為65%，未來能不能做到80%或更高？能不能把成本降到每千克1000元以下？如果能夠做到，那我們就沒有必要再去種青蒿來提取青蒿素了。目前，該項目正與藥企推進產(chǎn)業(yè)化。
除了青蒿素的人工合成，上海交通大學還用合成生物學方法，實現(xiàn)了從淀粉糖、纖維素糖到乳酸的高效合成，并取得了核心專利，后續(xù)可通過化學合成將乳酸轉(zhuǎn)化為生物可降解材料聚乳酸，目前正在牽手企業(yè)推動產(chǎn)業(yè)化。最近，我們還運用合成生物學方法，實現(xiàn)了從二氧化碳直接合成聚乳酸方面的“從0到1”的突破。未來，這些都將是巨大的產(chǎn)業(yè)，當成本下降到一定程度后，人類目前面臨的白色污染問題將得到有效解決。
合成生物學與合成化學的交叉融合，將會是一個長期促進的過程。合成生物學家應該增強對生物合成反應機制的深層次認知，包括酶的結(jié)構(gòu)與催化功能的關系、酶的動態(tài)催化機制、生物轉(zhuǎn)化的化學原理和復雜分子的生物合成策略等；化學家應該學習和模擬生物體系的能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機制，構(gòu)筑高效的仿生催化劑和人工酶，發(fā)展高效的仿生反應，實現(xiàn)各種功能分子的高效、精準創(chuàng)造。與此同時，我們尤其需要通過生物合成與化學合成的融合，聚焦具有重大戰(zhàn)略價值的合成轉(zhuǎn)化和功能分子，對接醫(yī)藥、材料、能源、健康、碳中和、人工固氮等重大產(chǎn)業(yè)和社會問題，解決單一合成手段無法解決的挑戰(zhàn)性難題。
展望未來，化學合成與生物合成的交叉研究，還將加深人類對生命和自然的認識，有助于我們從新的角度去思索地球演化、環(huán)境失衡、生命進化及健康和疾病等基礎問題，提出創(chuàng)造性的解決方案。
作者：丁奎嶺（許琦敏根據(jù)報告整理）
編輯：許琦敏
責任編輯：任荃
來源：文匯報 合成科學，通往“物質(zhì)自由”的希望之門—新聞—科學網(wǎng) (sciencenet.cn)
