原創 吳曉嫻 廣州市科協
冒著香氣的土豆片、藏在冷櫃裡的蟲草花……這不是誰家的廚房,而是華南農業大學食品學院的實驗室。別小看這些材料,來自生物工程系的碩士生導師魏韜,正採用基因編輯修改的方式,創造著更多生命的可能。近年來,生物學家對各種微生物的基因進行改造,讓它們變成了一個個「細胞工廠」,從而高效、低成本地生產各種藥物、日用品、護膚品的原料……
「我是研究微生物代謝工程與合成生物學的,概括點說是微生物基因工程。我們學科正在極大地改變人們的生活,這太令人興奮了。但同時,學科裡的新技術發展得非常快。我一定要跑起來,才能跟得上技術的發展。」魏韜如是說。
魏韜
華南農業大學食品學院生物工程系碩士研究生導師,主要從事微生物基因組編輯及DNA元件優化組裝研究工作。2016年獲得中山大學微生物學專業博士學位,2019年於瑞典查爾姆斯理工大學開展訪問學者研究工作。主持廣東省基礎與應用基礎研究基金區域聯合基金等科研項目的研究,發表SCI期刊收錄文章21篇。
01
微生物基因工程並不神秘
微生物基因工程,這個名詞聽起來讓人覺得高深莫測,魏韜說,其實我們生活中已經到處都有它的蹤跡了。比如胰島素作為治療糖尿病最核心的藥物,是微生物基因工程最具裡程碑式的研究成果。還有抗生素、近期部分新冠疫苗的批量生產,都是這一學科的成果。「除了醫藥、日化,我們行當還有很多應用方向。合成生物學可以做的事已經蠻多了,原料合成是目前比較成熟的一個方向。」魏韜笑道。
未來,微生物基因工程領域的發展,可能會超越普通人的想像邊界。他說,越來越多的物種被修飾和改造。基因工程也會變得更加數據化、模型化、自動化。未來生物學家可能更多是在電腦屏幕前進行細胞模型的搭建,而基因編輯等重複性的操作則會交由機械臂和流水線去完成。
「當這種智能化的模式在業內普及後,生物學將會創造出更多人造的生命。我們會把不同物種的基因拼接在一起,形成高效的細胞工廠,並通過發酵罐去生產各種物質。到時可能真的給點水和陽光,就能產出一些很高附加值的東西。」
魏韜目前在抗菌肽的合成和食用菌合成生物學方面的研究工作已經取得了一些初期成果。他認為,10年內,人們將會看到大量的合成生物學企業的崛起。以後很多很貴的東西,成本將會大大降低。
02
從熱愛生物到創造兩個「第一」
比很多人幸運的是,魏韜很早就堅定了自己要往生物領域發展。因為熱愛,他能持續在學科紮根下去。小時候讀《十萬個為什麼》,他最喜歡看生物相關的內容。他也會蹲守Discovery探索頻道的科普類節目。他還記得,自己初中時參加了生物類競賽,要養鸚鵡,中午不能休息,得去看鸚鵡,給它餵食、訓練,觀察它的行為變化。高中參加廣東省生物學科競賽,在培訓中,老師推薦了一本叫《普通生物學》的書。雖然書名說是「普通」,但內容一點都不普通,涵蓋了很多生物子學科的知識。從小到大的這些經歷,讓他對生物學產生了越來越濃厚的興趣。
攻讀本科學位時,中山大學生命科學院有一系列前沿講座課,其中微生物學老師講授的內容擊中了魏韜。任課老師從極端環境,比如火山、海底、冰川裡分離到的微生物中,提取一些有用的基因,應用於改變生活。因此在後續的課程訓練中,他逐步明確了自己未來要從事微生物基因工程研究的方向。
在中山大學攻讀博士期間,魏韜通過增刪目標基因,調整基因線路的表達水平,改造了大腸桿菌的基因組,並最終實現了左旋多巴的發酵合成。左旋多巴是帕金森症的主要用藥,用這種生物發酵合成的方法生產原料,能大大降低汙染。而他們當時的左旋多巴產量,也達到了成果發表時的世界最高水平。
這項成果,足足花了他4年的時間。要實現對十幾個基因位點進行編輯改造,面臨著很多挑戰。他打了個比方,這相當於在一個1萬頁的文檔裡,手動刪減、修改某幾段話。而當時單個基因的替換,往往需要先做好一系列DNA元件的組裝串聯,耗時一個月以上。為了完成逐個基因的修改,實驗周期很長。一個段落沒有改好,下一個段落就沒辦法繼續。
「做基因工程的人,每次在檢查基因有沒有替換成功的時候,都挺害怕的。看儀器之前都覺得需要運氣,當然這也是因為當時技術不夠成熟吧。」他笑笑說。
2016年底進入華農工作以後,魏韜和團隊通力協作,開發了蛹蟲草的CRISPR基因編輯系統,達到世界領先水平。CRISPR基因編輯技術在2020年獲得了諾貝爾化學獎。魏韜所在的團隊由於是第一個在學術期刊發表蛹蟲草CRISPR基因編輯系統的,在行內獲得了一定的影響力。他解釋說,CRISPR基因編輯技術能彌補逐段修改基因的技術缺陷,相當於實現同時修改多個段落的同個字符,這也使其成了時下微生物基因工程最熱門的技術之一。
而入選廣州市青年人才託舉工程項目,也給了他很大幫助。「做實驗的瓶瓶罐罐全都是錢,經費每天都在『燃燒』。沒有經費,學生就沒法做實驗。雖然我們課題組對我的支持很大,但我也得獨立起來。青託在我最需要的時候,幫了我一把。」
未來,魏韜既會繼續在代謝工程的模式生物方向深耕,也會結合華農在食用菌合成生物學方面的學科優勢進行研究。通過改造各種微生物的基因線路和培養條件,實現對整個細胞基因型的修飾,獲得更多對人類有用的細胞系。
03
課上開腦洞,課後幫學生掃清迷茫
魏韜既有著科研人不緊不緩,沉穩溫和的特質,又有80後熱血活躍的一面。他會跟學生一起討論動漫新番,也會相約一起喝奶茶。他不想將課堂變得沉悶乏味,總是想方設法開腦洞,把一些抽象的內容講得有趣生動,讓學生更容易接受。比如講到微生物為什麼要合成青黴素?
「青黴素是微生物拿來爭地盤的工具,就像兩個地方一開始和平相處,發展起來之後就要搶資源,爭地盤。比如當青黴菌遇到枯草芽孢桿菌時,就合成青黴素,丟過去破壞芽孢桿菌的細胞壁,芽孢桿菌就死掉了。這其實是微生物之間的戰爭。」魏韜這樣向學生解釋。
作為年輕老師,他也更能明白年輕學生的心境,從他們的角度出發,設身處地為他們著想。學生們會因為實驗做不出來,在實驗室裡哭,因為找不到工作難受,各種各樣的情況都會出現。
「這些事完全靠他們自己去排解,不太現實。一般來說技術和項目上的困難,還是需要導師去具體指導。」魏韜認為。有個學生因為項目遇到挫折,躲在實驗室裡哭。魏韜就陪他說說話,讓他明白,這些困難一定會出現,而且是攻讀學位必須面對和克服的。當困難克服了,能力也會上一個臺階。平時吃飯、上課、做實驗,他會跟學生們講行業內有哪些大牛,有哪些大企業,互相之間有什麼關係。他去這些企業參觀時,也會帶上學生。有了直觀的印象,學生對未來也不會太迷茫。「學生跟老師是高校科研團隊裡的一體兩面,學生好了,老師肯定會好的。」魏韜說。
採寫：吳曉嫻
攝影：林裡
原標題：《青年人才託舉工程｜他研究「細胞工廠」, 讓貴价原料變得既平又好》
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