【轉(zhuǎn)載】丁奎嶺院士：合成科學(xué)，通往“物質(zhì)自由”的希望之門(mén)
合成生物學(xué)作為催動(dòng)原創(chuàng)突破、學(xué)科交叉融合的前沿學(xué)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(xué)革命、人類基因組計(jì)劃實(shí)施所催生的基因組學(xué)革命之后的第三次生物技術(shù)革命，被《自然》《科學(xué)》等國(guó)際頂尖期刊及多國(guó)智庫(kù)評(píng)為十大顛覆性技術(shù)之一，已成為新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的前沿焦點(diǎn)，各國(guó)競(jìng)相在這一領(lǐng)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(xué)將人類帶入了設(shè)計(jì)、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(lǐng)與賦能下，合成生物學(xué)走到了一個(gè)至關(guān)重要的發(fā)展關(guān)口，一些指向未來(lái)的創(chuàng)新“核爆點(diǎn)”正在形成。
這一顛覆性技術(shù)、革命性思維將引發(fā)怎樣的變革？在上海市中國(guó)工程院院士咨詢與學(xué)術(shù)活動(dòng)中心日前舉行的合成生物學(xué)專題院士沙龍上，中國(guó)工程院院士楊勝利、中國(guó)科學(xué)院院士丁奎嶺分別作了學(xué)術(shù)報(bào)告，從不同角度介紹合成生物學(xué)即將開(kāi)啟的未來(lái)“造物時(shí)代”所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
——編者
合成科學(xué)是分子創(chuàng)制的核心和基礎(chǔ)，包含化學(xué)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(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)。未來(lái)的合成需要高水平的創(chuàng)造力和洞察力去探索無(wú)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(xué)與化學(xué)兩大學(xué)科的合成科學(xué)，是一個(gè)有望在未來(lái)形成創(chuàng)新“核爆點(diǎn)”的領(lǐng)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(chǔ)和計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展，都需要生物合成與化學(xué)合成的融合。作為中國(guó)合成生物學(xué)研究的重鎮(zhèn)之一，上海應(yīng)積極作為，引領(lǐng)中國(guó)成為世界合成科學(xué)學(xué)術(shù)中心之一。
合成創(chuàng)造“影響世界的分子”
合成包括化學(xué)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(duì)整個(gè)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(gè)。根據(jù)化學(xué)空間理論預(yù)測(cè)，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(gè)小小的藥物分子一年銷售額可以高達(dá)200億美元，價(jià)值相當(dāng)于近200架大飛機(jī)。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(huì)帶來(lái)了劃時(shí)代的影響?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代社會(huì)人類70多歲的平均壽命，與物質(zhì)的創(chuàng)造及其所帶來(lái)的技術(shù)發(fā)展為人類帶來(lái)的福祉息息相關(guān)，它使我們的生命延長(zhǎng)，也使我們的生活更便捷、更美好。
分子合成的發(fā)展，從化學(xué)角度大致經(jīng)歷了從無(wú)機(jī)到有機(jī)、從平面到立體、從小分子到大分子、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。未來(lái)的合成一定是精準(zhǔn)、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(xué)從誕生之初就受到非同尋常的關(guān)注，盡管這門(mén)學(xué)科及產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過(guò)程中還有很多極具挑戰(zhàn)的技術(shù)問(wèn)題需要攻克，但它的確是人類通往未來(lái)合成與理想分子的“希望之門(mén)”。
“細(xì)胞工廠”讓物質(zhì)合成更簡(jiǎn)單
合成科學(xué)面臨的最大機(jī)遇和挑戰(zhàn)是什么？首先是要想辦法讓分子合成變得更簡(jiǎn)便。以復(fù)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(guò)幾十個(gè)步驟，為此科學(xué)家正在嘗試更簡(jiǎn)單的合成路徑。比如，通過(guò)合成生物學(xué)的途徑可以生產(chǎn)清潔燃油，用生物方法“吃掉”塑料。未來(lái)，合成生物學(xué)若能實(shí)現(xiàn)常溫常壓下人工固氮，將會(huì)對(duì)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(xué)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?？梢哉f(shuō)，當(dāng)前人類的合成科技已經(jīng)達(dá)到了空前的成熟度。人類甚至一度認(rèn)為，無(wú)論多么復(fù)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(yīng)，就能將它合成出來(lái)。
但事實(shí)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(wàn)個(gè)化合物、花費(fèi)超過(guò)10年時(shí)間和10億美元。能不能有更簡(jiǎn)單的方法？新興的點(diǎn)擊化學(xué)將引領(lǐng)這一潮流，它讓分子鏈接變得像系安全帶那樣方便、精準(zhǔn)，日益成為材料、制藥、生物學(xué)研究中的常用工具。
合成生物學(xué)本質(zhì)上是一個(gè)“細(xì)胞工廠”的理念，它將細(xì)胞作為一座工廠，以酶促反應(yīng)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(guān)聯(lián)，基于細(xì)胞工廠提高產(chǎn)量，加速分子的進(jìn)化、演變和拓展應(yīng)用。它將分子合成的一道道工序都濃縮在“細(xì)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(xué)已經(jīng)歷了20多年的快速發(fā)展。大約10年前曾有一場(chǎng)激烈論戰(zhàn)，探討合成生物學(xué)與合成化學(xué)誰(shuí)更具優(yōu)勢(shì)。與化學(xué)合成相比，合成生物學(xué)有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，例如中間體無(wú)需純化、不需要保護(hù)基、高立體選擇性、利用可再生資源等?，F(xiàn)在看來(lái)，它們最終一定會(huì)走向交叉融合，讓我們實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造物質(zhì)的自由。無(wú)論是在細(xì)胞工廠還是在真實(shí)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(méi)有廢物產(chǎn)生，歸結(jié)到最基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題，仍然是化學(xué)鍵的活化、斷裂和重組。
抓住機(jī)遇搶占合成科學(xué)制高點(diǎn)
隨著化學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，化學(xué)合成與生物合成出現(xiàn)了由點(diǎn)到面的快速融合、相互促進(jìn)的趨勢(shì)，為合成科學(xué)帶來(lái)了前所未有的創(chuàng)新機(jī)遇。未來(lái)的合成科學(xué)應(yīng)以功能分子創(chuàng)制為導(dǎo)向，以合成化學(xué)與合成生物學(xué)為綱，尋求二者從理論到技術(shù)的全方位深度融合，突破傳統(tǒng)的學(xué)科研究范式，拓展合成科學(xué)發(fā)展的新空間，由此構(gòu)建我國(guó)在合成科學(xué)領(lǐng)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(jī)遇的同時(shí)，搶占未來(lái)合成科學(xué)領(lǐng)域的制高點(diǎn)。
上海在合成生物學(xué)領(lǐng)域有著自己的優(yōu)勢(shì)，我們沒(méi)有理由不把它做好。例如在青蒿素的合成上，目前僅通過(guò)合成生物學(xué)途徑只能到青蒿酸。上海交通大學(xué)通過(guò)合成生物學(xué)與合成化學(xué)的融合，再用兩步化學(xué)合成，就可以將青蒿酸變成青蒿素。目前團(tuán)隊(duì)得到的青蒿素結(jié)晶純度為65%，未來(lái)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(méi)有必要再去種青蒿來(lái)提取青蒿素了。目前，該項(xiàng)目正與藥企推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。
除了青蒿素的人工合成，上海交通大學(xué)還用合成生物學(xué)方法，實(shí)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(guò)化學(xué)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(dòng)產(chǎn)業(yè)化。最近，我們還運(yùn)用合成生物學(xué)方法，實(shí)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(lái)，這些都將是巨大的產(chǎn)業(yè)，當(dāng)成本下降到一定程度后，人類目前面臨的白色污染問(wèn)題將得到有效解決。
合成生物學(xué)與合成化學(xué)的交叉融合，將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期促進(jìn)的過(guò)程。合成生物學(xué)家應(yīng)該增強(qiáng)對(duì)生物合成反應(yīng)機(jī)制的深層次認(rèn)知，包括酶的結(jié)構(gòu)與催化功能的關(guān)系、酶的動(dòng)態(tài)催化機(jī)制、生物轉(zhuǎn)化的化學(xué)原理和復(fù)雜分子的生物合成策略等；化學(xué)家應(yīng)該學(xué)習(xí)和模擬生物體系的能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機(jī)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)各種功能分子的高效、精準(zhǔn)創(chuàng)造。與此同時(shí)，我們尤其需要通過(guò)生物合成與化學(xué)合成的融合，聚焦具有重大戰(zhàn)略價(jià)值的合成轉(zhuǎn)化和功能分子，對(duì)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(huì)問(wèn)題，解決單一合成手段無(wú)法解決的挑戰(zhàn)性難題。
展望未來(lái)，化學(xué)合成與生物合成的交叉研究，還將加深人類對(duì)生命和自然的認(rèn)識(shí)，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(jìn)化及健康和疾病等基礎(chǔ)問(wèn)題，提出創(chuàng)造性的解決方案。
作者：丁奎嶺（許琦敏根據(jù)報(bào)告整理）
編輯：許琦敏
責(zé)任編輯：任荃
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