這是《腸道產業》第 483 篇文章
合成生物學作為生物科學的一個分支學科，其應用前景非常廣闊，也是未來推動時代發展的重要技術手段之一。
近期，Nature Communication雜誌發表文章展望了合成生物學的未來，該文選擇了最能彰顯合成生物學技術快速發展和價值的6款產品進行了重點介紹。這些產品有些已經上市，有些將於 2021 年上市。其中前 3 款產品是由工程細胞或工程酶經生產所得產物，後 3 款是將工程細胞直接作為產品進行使用。
在本文中，我們將基於該文簡要介紹這 6 款產品。
產品1：
不可思議的植物漢堡
或許你已經吃過各種口味的漢堡，雞肉味的，牛肉味的，甚至可能還有鱈魚味的。但是你聽說過血紅素（Heme）味的漢堡嗎？這聽起來或許很不可思議，但是全世界已經有超過 30000 家餐廳和 15000 家雜貨鋪在供應這類漢堡了。
Impossible Foods 公司的科學家們正在利用畢赤酵母生產大豆血紅蛋白（soy leghemoglobin），並將其添加到植物漢堡中，以提高肉質口感和風味。相比牛肉漢堡，通過這一方法生產的植物性漢堡所佔用的土地更少，產生的溫室氣體也更少。
無疑，合成學技術推動了代謝工程的進步。目前，這一技術已經被應用於食品添加劑的生產、疫苗研發、農業病蟲害防治等領域。未來，通過合成生物學和生物信息學等技術的結合，對酶進行定向改造，我們將會創造出更多發酵友好型通路，實現更多物質的批量化生產。
產品2：
默克研發的糖尿病藥Januvia
Januvia（sitgaliptin）是治療糖尿病的常見藥物，但是這種藥物的製造如果僅靠化學反應的話難度非常大，因為需要重金屬和高壓環境。但是利用合成生物學方法，可以改進其製造條件。
這一技術主要是以來自Arthrobacter sp.的（R）選擇性轉氨酶為基礎，並利用計算機工具設計方法來「打開」新基底的結合位點，隨後通過定向進化方式提高產量並實現純度＞99.5。除了糖尿病藥物的製造外，這種方法還被應用到HIV抗病毒藥物 islatravir 的製造。
這些利用生物學製造的分子會讓化學家們羨慕不已，或許，生物學才是終極化學。說不定，未來，化學和生物化學的結合將對藥品、消費品及農用化學品等各領域產生革命性影響。
產品3：
Zymergen製造的電子薄膜Hyaline
Zymergen 公司利用源自生物的單體來製作聚醯亞胺透明薄膜 hyaline，這一系列薄膜清晰、柔韌性好且牢固，適合應用於摺疊式智慧型手機、穿戴式電子產品等柔性電子產品。相關產品有望於 2021 年面世。
那麼這些薄膜是如何得到的呢？這類薄膜主要由工程生物生產得到的二胺單體製作而成。其中所涉及的工程生物是通過一套機器人來並行構建數百萬株菌株並通過不斷試錯優化而得到的。
生物材料來源已久，但是利用基因工程方法對細胞重新編碼，設計並製造新材料仍非易事。不過，當前湧現出越來越多的生物材料。除了製造薄膜材料，合成學技術已經被成功用於生產石油產品的綠色替代品、光伏電池的納米材料等。
產品4：
Pivot Bio製造的生物氮肥PROVEN
氮肥作為提高作物產量的重要肥料，通常是通過直接施加化學氮肥或採用生物固氮方法使作物吸收氮元素。然而相比化學氮肥，生物固氮的優勢更明顯，也更符合可持續發展目標，如減少環境汙染，減少溫室效應等。但是，對於玉米、小麥等穀類作物，生物固氮的方法難以實現。
Pivot Bio 公司以γ變形菌（KV137）為基礎，首創適用於玉米作物的生物氮肥。不過在這過程中也浮現出了一個問題，那就是這一變形菌內所包含的固氮基因往往會在最需要的時候處於休眠狀態。為了解決這一問題，科學家利用合成生物學技術「開啟」固氮基因，重塑 KV137 基因組。
利用合成生物學技術進行基因組編輯，並將工程菌引入生態系統的方法還可以應用到其他地方，比如保護蜜蜂免受病蟲害，阻止蚊蟲瘧疾等，當然我們還可能可以利用工程益生菌給雞接種疫苗。
產品5：
癌症細胞療法Kymriah
將工程活細胞用於醫學治療被視為繼生物製劑時代之後的「醫學第三大支柱」。
諾華公司開發的 Kymriah（Tisagenlecleucel）是第一個經 FDA 獲批的細胞療法。其原理是提取、分離患者的T細胞並進行基因改造，將慢病毒引入患者T細胞，得到能表達嵌合抗原受體（CAR）的 CAR-T 細胞，隨後重新引入患者體內。
這類細胞可以在患者體內存活數年，甚至數十年。這一細胞療法可靶向癌細胞上的 CD19 抗原，對復發或難治性疾病患者的治療緩解率可高達 83%。
然而第一代的 CAR-T 實際上是有缺陷的：靶向單一癌症抗原可能產生脫靶毒性，而且如果抗原突變，療法就會失效。因此，要使這種細胞療法保持高效，需要同時掌握「遺傳電路」設計和基因組編輯方法，因為這兩者的有效結合能夠保證 CAR-T 在時間和空間上的活性。同時，這兩項技術也是控制治療活細胞在時間和空間上的精準活躍性的關鍵。
當前，正在通過這兩種技術來建立更有效的 CAR-T 療法。
產品6：
Calyxt研發的高油酸大豆油Calyno
Calyno 公司的高油酸大豆油是第一款進入美國食品供應市場的基因編輯大豆油。不同於普通大豆油，Calyno 富含 80%油酸，且富含亞油酸少，更健康。這是由於 Calyxt 公司利用基因編輯對大豆基因組中的兩個脂肪酸脫飽和酶基因進行滅活以減少亞油酸生產，提高油酸含量。
在此過程中所採用的基因編輯方法是使用轉錄激活因子樣效應物核酸酶（TALENs），該方法用於切割目標 DNA 序列。因此，僅僅只會對 DNA 序列進行刪除，而不涉及到 DNA 重組，所以該產品在美國的監管要求比較低。
目前，該產品已於 2019 年上市，並在批量種植生產。
未來，利用基因編輯技術生產的產品將會越來越多，尤其是農業和醫藥領域，其方法也不僅限於 TALENs 這些早期方法，還有 CRISPR/Cas9 等先進手段。
我們正處於創新的風口。難以想像十年之後，也就是 2030 年，將會出現多少利用合成學生物的新產品。但是毋庸置疑的是接下來的十年中，將會有更多的產品得益於合成生物學技術。