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大家好呀～ 谈起合成生物学的话题啊，这两年可谓是非常之火爆，不论是在学术界、产业界和投资界都是“掌上红人”。其实合成生物学更多偏向生物方向，但不论是从它的思维角度还是应用角度，都对我们未来的农业、畜牧业发展有着非常重要的意义。正好我的课题研究方向和合成生物学有些许关联，前些时候也学习了相关课程，于是想借此机会向大家简单介绍一下到底合成生物学是干啥的、在咱们农业/畜牧领域的应用有哪些？ 如果各位读者朋友感兴趣，或者有更多问题，欢迎大家在文章下面留言交流！后续我们可以再邀请大佬们下场，为大家答疑解惑~  #1. 合成生物学的概念 说起合成生物学，大家是不是会觉得哇，这个名词好高大上 在开始前，想考考大家一个问题：生物合成（biosynthesis）和合成生物学（synthetic biology）它俩是一个东西吗？是不是有点分不清呢，哈哈！其实呀，两者在概念上来说差距还是很大的，但在一些方面也存在着交集和关联—— 首先，「生物合成」是指生物体内通过化学反应，利用细胞自身的酶和代谢途径来合成复杂化合物的过程。这些复杂化合物包括生物体内的各种有机物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等。 而「合成生物学」则是一门新兴的交叉学科，旨在以工程化思路，设计、构建、优化标准化的元器件和模块，改造已存在的天然生物系统或者从头合成全新的人工生命体系，从而实现特定的功能。对我们畜牧业来讲，其功能主要是生产各种原料或者添加剂，比如单体氨基酸、维生素、酶制剂和抗生素/抗菌肽等，从更广的角度来看还可以用于饲料发酵、秸秆利用，人造肉、人造奶生产等多种应用场景。在合成生物学的研究中，常利用生物合成的原理和方法来构建特定的生物系统。  系统生物学在基因、蛋白质、代谢物等多维分子水平获得大量的细胞行为知识，建立生物网络，为合成生物学提供理论和模型支持（图片来自罗俊杰老师，合成生物学） 用一个简单的例子来做比喻吧：合成生物学就是将每一个细胞都当作一台机器，我们通过合理的设计、构建、改造这台机器的元件（基因）和电路（细胞代谢），它们就可以将低廉原料经过发酵等一系列工艺，产出我们想要的高价值化学或生物原料！ 我们既可以对已有的机器进行改造、翻新，通过更换元件（基因），修改电路（代谢通路）来提高其产能，或者我们可以用已有的原件和电路直接搭建出一台全新的机器，也就是所谓意义上的“人造生命”。 合成生物学区别于其它现有生物学科的显著特点是其「工程化」的思想。这种工程化主要体现在两种策略： 1）自上而下，也叫逆向工程：主要用于分析阶段，试图利用抽提（abstraction）和解耦（decoupling）方法，降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块； 2）自下而上，也叫前/正向工程：主要用于合成阶段，是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统。  合成生物系统的层次（右）与电子机器设备（左）类比
#2. 合成生物学的发展历史和基础 合成生物学虽然是在近几年才不断出现在大家视野里，但其实早在1911年，就有科学家提出了合成生物学的概念啦。只是“巧妇难为无米之炊”，囿于当时对生物学理解不足，也没有对应的关键技术，导致在早期合成生物学发展速度十分缓慢。 随着20世纪70年代和80年代分子克隆和PCR的发展，基因操作在微生物学研究中变得广泛，为设计人工基因调控提供了技术手段。 到20世纪90年代中期，自动DNA测序和计算机计数的发展使完整的微生物基因组得以测序，另外测量RNA、蛋白、脂质和代谢物的高通量技术也使科学家能够从分子角度去理解和分析细胞成分及其相互作用。这种分子生物学的“放大”产生了系统生物学领域，科学家开始将实验和计算结合起来，对细胞网络进行“自下而上”的反向工程。 到了二十一世纪以后，合成生物学开始有了许多颠覆性的发现和成果，其技术发展开始从经典代谢工程转为系统的代谢工程，工程化理念日渐深入、工程方法和工具不断积淀，应用领域也从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、 药物和疫苗开发、作物育种、环境监测等诸多领域。到了2014年后，合成生物学的“设计—构建—测试” 循环扩展至“设计—构建—测试—学习” ，提出了半导体合成生物学 、信息化细胞工厂等理念，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。 至此，合成生物学的合成理念，也将我们从前的“格物致知”研究策略，推进到了“建物致知、建物致用”的新高度，通过建造生物体系而了解生命、通过创造生物体系来服务人类。   #3. 合成生物学生产的核心步骤和策略 通过合成生物学产品生产的步骤主要分为四大板块：底盘细胞筛选、生产细胞构建、发酵生产、分离纯化。
底盘细胞是整个合成生物学生产的基础，选择底盘细胞时，需要考虑多个因素—— 1）底盘细胞的选择应考虑到具体研究或应用的需求。目前的底盘细胞主要包括三个体系：细菌、真菌（酵母）、动/植物细胞，我们要根据所需产品或者目的来选择不同生产体系。 2）底盘细胞应具有较高的生物合成能力，能够有效地表达内/外源基因并产生所需的产物。在实际生产中，大家都会选择筛选出来产量高的突变株作为待改造的底盘细胞。 3）底盘细胞应具有良好的可控性和可重复性。这意味着底盘细胞的生长和分裂应受到精确的控制，并且可以在实验室中进行大规模的培养。此外，也应具有较高的耐受性和稳定性，能够承受实验室大量的基因改造和调控带来的负担。 在合成生物学中，人们最早对微生物的改造手段是随机诱变（mutation breeding），通过物理电离或者化学试剂诱导的方式使细胞的DNA发生断裂，在自我修复的过程中会发生突变，从而达到育种的目的。但由于诱变产生的突变随机性大、且在全基因组范围分布稀疏，存在大量的无义突变，采用诱变育种技术筛选获得理想性状的微生物往往花费时间长、工作量大，是一种典型的以时间换水平的策略。 而随着分子生物学的发展，微生物代谢网络的物质流、能量流以及复杂的调控机制得到了更为深入的研究，基于生物学知识的理性设计作为代谢工程指导的经典设计策略逐渐被应用于生产细胞的构建。人们开始站在更高层次，用全局视角，设计元件、构建模块，像搭积木一样去构建代谢通路。这其中就包括经典的“DBTL”策略。 DBTL的全称是“设计-构建-测试-学习”循环，是基于工程设计原则，利用工程可预测性控制复杂系统构建的一种方法，其中包括： 1）设计：合成生物学强调对生物系统的设计，通过理解和操纵生物分子、细胞和生物体的组成和功能，在遵循一定的规则下利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计； 2）构建：在设计的基础上，将生物部件、基因组或细胞等组成元素组合在一起，创造出具有所需功能的生物系统。这涉及到基因合成、基因编辑、细胞培养等技术手段； 3）测试：由于逻辑线路及模块化的代谢途径在通过理性或非理性设计后，都会存在大量的突变体或候选目标，因此通常需要高效、准确和经济的检测，生成相应数据，评估构建的细胞工厂的功能性、稳定性和可行性； 4）学习：利用测试数据，学习并随机搜索更有效地推进循环实现预期目标的原则，为下一个循环改进设计提供指导。 在生物制造领域，通过DBTL循环四个阶段循环往复，可以成功构建需要的细胞，生产出合适的产品。 设计-构建-测试-学习（DBTL）循环（Waldby et al., 2018） 发酵过程其实就是一个技术落地的过程，而合成生物作为典型的技术密集型行业，从“克”到“千克”，再到“吨”的放大（scale-up），不是一个简单的过程，每一个步骤都需要重新摸索和优化，考虑不同规模下发酵设备、发酵参数的变化，也会遇到很多问题和挑战。 比如，实验室内筛选出来的菌种，在摇瓶水平下表现很好，但到小试发酵罐可能就不如预期了，因为它面临的环境与摇瓶存在较大差异；中试的发酵罐要达到50L甚至更大，面临的pH、溶氧、补料控制、搅拌方式等都不尽相同。比如在5L罐上，搅拌可以达到几百转且补料实现的方式多样，但真正上大罐生产时，很难达到这么高的转速，同时因为发酵装置较大，补料方式会受到各种限制。因此在菌株开发和工艺优化阶段，我们要考虑到前端菌株设计与后端发酵量产间的配合，才能确保技术具备量产可行性。 采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，在达到特定标准后制成产品。这一过程中涉及到分离、纯化成本的问题（对于一些复杂的产品，纯化成本可占整个生产成本的7成以上），以及对于产品纯度，杂质、有害物质含量的控制，也是一门大学问呢！ #4. 合成生物学在畜牧产业的应用 *氨基酸 工业上，单体氨基酸的生产方法大致分为化学合成法、酶促转化法、提取法和发酵法几种。由于提取法需要提前水解蛋白，可能造成一些氨基酸被破坏无法利用，而化学合成法和酶法的效率较低、成本颇高的缘故，现在基本上都以发酵法进行氨基酸的生产。随着基因编辑技术、综合的合成生物技术的应用，通过发酵法生产氨基酸越来越具有优势。 氨基酸的工业应用，已知的大类别就包括：医药、食品、化妆品、动物饲料等等。尤其是食品和医药，20种氨基酸基本都有工业应用。比如许多功能性饮料里面加了赖氨酸，鸡精里面加了谷氨酸钠，许多新一代化妆品中会添加脯氨酸、谷氨酰胺等等。随着科研的各种发现，氨基酸的应用领域和效果将更大的拓宽，届时市场增长将更令人瞩目。 多种氨基酸的发酵生产菌种、用途以及产量（Becker et al., 2012） *维生素 同氨基酸类似，维生素的生产方法也主要分为提取、工业合成和生物合成法，生物合成技术又分为生物发酵和生物催化。目前在大规模的工业生产中，维生素B2、B12和维生素C主要是由发酵法生产，而其余维生素多采用化学路线，或化学法耦合酶法进行合成。 对于某些天然产物，比如维生素B5、维生素D3，其天然合成过程往往很复杂，要想利用生物发酵直接生产，首先要获得高效合成能力的菌株。这就需要对微生物进行大规模筛选或复杂的分子生物学改造。而另一些合成路线简单的产品，比如维生素B1，化学合成法通常较为成熟，要想以生物发酵方式替代化学法往往缺乏成本竞争力。 随着酶工业发展，生物催化开始渐渐走进人们的视野，其目标是为了针对性地替代部分化学合成反应或者路线。目前，多种维生素的合成已采用酶催化和化学合成结合的方式生产，充分发挥生物和化学各自优势，典型案例如维生素B3和维生素B5。而维生素衍生物中，维生素C葡萄糖苷均采用酶催化合成，其他衍生物既有酶法合成也有化学法合成。维生素的酯类衍生物种类较多且普遍采用化学合成法，但酶催化法已逐渐显示出绿色环保和成本优势，不少已经可以替代化学法，如维生素A棕榈酸酯、维生素C棕榈酸酯等。 目前不同维生素（绿色水溶，紫色脂溶）的工业生产法及产量（数据引自食药信息论坛） Microbial Cell Factories for Green Production of Vitamins🔗https://www./articles/10.3389/fbioe.2021.661562/full *酶制剂 酶作为具有生物活性的大分子，和氨基酸、维生素相比，更多主要采用提取法和微生物发酵法生产。其中能够通过提取法受原材料限制，我们能够获得、纯化出来的酶种类相对较少，常见的比如厨房中用的嫩肉粉（内含从木瓜中提取的木瓜蛋白酶）、实验室做体外消化试验用的胰酶（提取自猪胰脏）。相对而言，由于微生物种类繁多，能够制备出的酶种类齐全，同时具有繁殖快、生长周期短、培养简便等优点，目前大部分用于饲料工业和养殖行业的酶制剂还是主要通过微生物发酵生产。 由发酵法生产的多种工业常用酶及所用菌株（Londoño-Hernandez et al,. 2020） 根据酶合成的方式，微生物细胞内的酶可以分为诱导酶和组成酶两类。 组成酶是微生物细胞中经常存在的一类酶，其合成只受细胞内遗传物质的控制，这些酶一般与微生物的基本代谢密切相关，比如和细胞氧化呼吸相关的酶、分解葡萄糖等营养物质的酶。 诱导酶是在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶，同时受微生物基因和环境双重调控。如，催化淀粉分解为糊精、麦芽糖等的α-淀粉酶就是一种诱导酶，多种微生物都能产生这种酶。如果将能合成α-淀粉酶的菌种培养在不含淀粉的葡萄糖溶液中，它就直接利用葡萄糖而不产生α-淀粉酶；如果将它培养在含淀粉的培养基中，它就会产生活性很高的α-淀粉酶。由此，人们可以通过对细胞基因的调整，或者添加诱导物来生产所需要的酶。 目前我们所说的都是自然界存在的、已知结构的酶。那么，有没有办法去生产出稳定性更强、催化活性更高的酶呢？就不得不提到合成生物学中对酶最为前沿的研究——酶分子的理性设计和定向进化。 理性设计建立在对酶的空间结构和催化机理有非常充分了解的基础上 ，对酶的结构进行精确的调控 ，从而获得具有所需催化活性的新酶；而定向进化是模拟自然进化过程，在体外进行酶基因的人工随机突变，建立突变基因文库，在人工控制条件的特殊环境下，定向选择得到具有优良催化特性的酶突变体。 通过这两种策略，我们可以实现提高酶的催化活性、增强酶的稳定性、改变酶的底物特异性，以及改变酶的工艺性（冷适应和热适应酶）等，非常具有应用的价值！ 酶分子的理性设计和定性进化（图片来自罗俊杰老师，合成生物学） *其它应用 不知道大家有没有听说过合成生物学里这样一句话，“万物皆可合成”。虽然有些夸张的口吻，但确实有专家统计全球约70%的产品可以用生物法生产，合成生物些能为我们未来的农业、畜牧业带来许许多多意想不到的可能。之前在另一个公众号平台看见过一篇文章总结合成生物学在农业板块的应用，我觉得特别好，也就不多赘述，直接借用来展示给大家吧~ 合成生物学在农业食品板块的应用（引自公众号“35斗”，作者耿海荣🔗【研究报告】合成生物农业食品应用产业图谱，一文看懂合成生物8大应用场景） #5. 合成生物学的优点和未来展望 利用合成生物学来替代化工合成生产，主要的优势在于以下几点： 1）前期投入较少，仪器设备通用性较强。利用合成生物学生产化学品的最小反应单元主要是细胞或酶的催化，因此放大难度较小，同一套装置适用于不同产品的生产，产品容易相互切换；而化学工艺需要不同单元操作搭配不同的反应装置，装置大型化过程中存在不确定性，且同一套装置难以适用不同产品生产，较难切换。 2）合成生物学生产所需反应条件更温和，产业链长度更短，安全性更高；而化学工艺生产通常需要在高温高压等特殊环境下进行，产业链更长，容易出现安全隐患，需要更高的安全管理水平。 3）合成生物学所需原料以生物质原料为主，符合可循环发展的理念，而化学工艺则以化石原料为主。合成生物学可高效利用生物质资源实现大规模减排，多种生物基大宗化工品减排二氧化碳超60%。生物质燃烧或分解放出的二氧化碳量和生物生长过程中从自然界吸收的二氧化碳量相等，因此生物质的生命周期是一个封闭的碳循环。相较于石油基产品，生物基产品从原料来源、制造、使用处理中均能大幅削减碳排放。 不同生物基化工品相较于石化基产品温室气体的减排力度显著。其中菱形为石化基产品碳排放量，红色、黄色、绿色图标分别表示在转化率为0.25、0.5及0.75时生物基制品的碳排放量排放量（以二氧化碳当量表示，Huang et al., 2021） 合成生物学发展至今，在各个领域的应用取得了突破性进展，同时也有很多关乎人类健康、人文伦理、社会发展等等重大问题有待更好的解决，我们应该用正面、积极的态度去努力寻找答案，建立高效、有针对性的监管体系。同时，面对合成生物学科新的发展方向，如无细胞合成生物系统、人工智能和合成生物结合（数字化细胞工厂），我们也要stay open-minded，“尊其所闻，行其所知”。 和「曦曦博士」一起，多多学习吧！See you next time~
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