合成生物學技術在雅拉至尊長效全水溶特種肥上的應用

一.合成生物學概述

合成生物學是生物科學在二十一世紀剛剛出現的一個分支學科，是生物學、工程學、化學和信息技術等多學科交叉融合的一個新興領域，這一技術的出現，為改造生物體提供了更大的可能。該技術以系統生物學知識為基礎，融入工程學的模塊化概念和系統設計理論，綜合利用化學、信息科學、物理、生物科學等知識和技術，能夠指導化學合成長的DNA片段，改進遺傳進程，設計遺傳途徑，實現對生物系統的精確的控制。

合成生物學（synthetic biology）真正的起源可以追溯到1961年，Monod和Jacob提出細胞中存在調節通路使其得以對複雜環境變化產生響應。20世紀90年代，「組學」 （omics）時代到來，人類基因組計劃及此後興起的一系列生命「組學」，從根本上提供了生物體和生命運動的「藍圖」乃至「程序」。在合成基因組方面，2002年，人類首次合成病毒。2010年，美國Craig Venter的實驗室首次成功合成人工生命體，該實驗的成功使「合成生物學」成為一個熱門的名詞。

二.合成生物學的神奇之處

合成生物學被認為是引領生物科技產業第三次革命並將推動第五次工業革命的新學科， 2019年5月20日，深圳市合成生物學創新研究院（以下簡稱合成院）在中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）揭牌，深圳先進院傑出客座教授基斯林院士再次刷新人類歷史紀錄：首次在微生物中合成大麻素及其相關衍生物。僅僅使用發酵罐，就能合成出需經過人工6個月才能種植提取出的大麻素，發揮其臨床醫用價值。

這一科研成果在國際頂尖學術期刊《自然》雜誌上刊登。美國工程院院士、中國科學院深圳先進技術研究院合成生物化學研究中心主任傑·基斯林（Jay D. Keasling）為文章通訊作者，深圳先進院合成所（籌）為通訊單位之一，文章第一作者為羅小舟博士。領域專家紛紛表示「這是合成生物學領域的又一重大突破」。

眾所周知，大麻在世界範圍內的種植和使用已有上千年的歷史，人們對其主要活性分子大麻素類化合物中的個別分子已進行部分研究，發現部分大麻素具有有效的藥用價值。據了解，目前國際上許多國家已經批准將大麻素類藥物用於治療癲癇、免疫性肝炎等部分罕見病；根據不完全統計，在美國，大麻二酚（簡稱CBD）含量的藥用大麻每年至少造福了一萬個家庭。

在國內工業大麻從種植大提取CBD，都是一個繁雜的過程，特別是種植難度上大，需要辦理工業大麻種植許可證。「傳統種植提取技術的局限性以及大麻素本身的藥用價值都激發了我的探知欲。現在很多研究表明不同的大麻素潛在能用於治療其它的疑難雜症，那樣的話這項研究就具有重大意義了。而且，這項研究本身在我來看也十分有趣。」羅小舟說到。

「合成大麻素只是一項科學探究，未來在中國更多應用將是根據市場需求，用合成生物的手段，更高效率的發展應用。」基斯林院士如此說道。

三．合成生物學技術對未來農業的影響

為了滿足2050年的全球人口需求，全球糧食產量需要增加70％。合成生物學將工程原理貫徹到生物系統中，有望突破傳統農業瓶頸，帶來產能和營養的突破性增長。

2019年12月德國杜塞道夫大學iGRAD植物研究所學者在Current Opinion in Biotechnology上發表一篇綜述文章【論文ID：The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition】，討論了合成生物學方法在提高農業生產力、食品質量、實現可持續、降低生產成本等方面的潛力。文章主要關注四種合成生物學策略：1）合成代謝途徑來提高植物的碳利用效率；2）通過優化植物氮和磷的利用量來減少農業中的化肥使用量；3）改善農作物營養價值的工程策略；4）利用光合自養生物作為大規模生產平臺。近年來，合成生物學方法在農業方面應用的研究進展如下表所示：

1合成代謝提高植物生長和農業產量

農業產量主要受三個主要因素的影響：光能捕獲效率和光能轉化為生物量的效率，以及收穫指數--可收穫器官所含植物生物量中總能量的比例。然而，由於光能捕獲效率和收穫指數已經達到其生物極限，轉換效率僅為其理論最大值的20%，因此成了潛在的工程目標。然而，操作這些多成分性狀仍然很繁瑣。使用包括定製工程酶在內的新合成途徑來優化和重新設計碳代謝是很有前景的方法。在計算機上準確、快速地預測整合在內源性代謝網絡的合成代謝途徑的行為，將有助於計劃的實施，這得益於計算工具的最新發展。

我們在此討論提高植物碳效率的三個主要目標：i)提高羧化效率，最小化ii)光呼吸和iii)呼吸CO2損失。

CO2固定酶核糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)多年來一直是工程研究的目標。然而，試圖提高其活性和底物特異性以降低加氧酶活性的嘗試未成功。相反，工程碳濃縮機制，如C4光合作用、類胡蘿蔔素或藍細菌類的羧基體，目前優先用於提高羧化效率。除了Calvin-Benson-Bassham循環(CBBC)之外，探索相當激進的工程策略的目的是開發合成的、更有效的固定CO2固定途徑。實現這一目標的第一步是構建一條完整的體外固定CO2的合成路線，即巴豆醯輔酶A(CoA)/乙基丙二醯輔酶A/羥丁醯輔酶A(CETCH)循環。需要進行廣泛的計算分析，才能確定最有效的酶，從頭進行工程改造，以有效地固定CO2，提高其活性並將其整合到包括前體和中間體在內的平衡網絡中。考慮到所有這些限制，工程CETCH循環的最終版本產生了與CBBC相當的CO2固定率（5 nmol CO2 min mg 1與1-3 nmol CO2 min 1 mg 1）。

減少氯乙烯光呼吸道工程以減少光呼吸道CO2的損失已被證明是改善植物生長的合適方法。例如，在田間條件下，在兩種酶(乙醇酸脫氫酶和蘋果酸合酶)的表達下，乙醇酸被葉綠體氧化成兩個CO2分子，導致菸草的生物量增加了40%。通過質體甘油酸酯/乙醇酸酯轉運蛋白1(PLGG1)的RNA幹擾抑制葉綠體乙醇酸輸出的轉錄下調，改善了合成途徑的表型效應。乙醇酸似乎是重新設計光呼吸最有前途的底物，沒有副產物CO2和氨的釋放(碳守恆的光呼吸)。最近，通過計算確定了乙醇酸轉化為乙醇醯-CoA並重新同化為CBBC的CO2中性光呼吸合成旁路。動力學-化學計量模型支持這些途徑對植物生長的影響。進行了將乙醇酸酯轉化為乙醇酸CoA的乙醇醯-CoA合成酶和丙醯輔酶A還原酶的工程，以獲得更高的乙醇醯-CoA選擇性和NADPH特異性，並在體外證明了途徑功能。

最後，由於高達60%的同化碳是通過呼吸作用損失的，最大限度地減少呼吸CO2的損失將是提高植物生產力的突破口。雖然在過去幾年中，工程呼吸代謝一直被忽視，但最近確定了四個主要的操作目標以降低呼吸成本。這些措施包括：i)優化蛋白質周轉，ii)重新設計呼吸代謝，iii)避免無效循環，iv)設計高效的離子轉運。然而，這些方法的負面影響需要仔細評估。有關呼吸的工程策略的詳細概述在中提供。

除了設計和實現植物中的合成代謝途徑外，氣孔動力學的控制和光保護的加速恢復也是當前關注的策略。

2減少農業肥料用量

（合成）肥料的大量使用（每公頃耕地140千克）維持了當今的西方農業生產力。在發展中國家，高成本造成了局限，普遍的低施肥率導致單產降低。但是，由於農作物的氮利用效率低、地下水汙染、高耗能的化肥生產和有限的磷資源，目前的大量施肥做法是不可持續的。因此，提高植物養分利用效率、吸收或同化機制的策略是有必要的。

先前嘗試提高植物氮和磷利用效率的成果有限，大多集中在對參與養分吸收、分配、新陳代謝或轉錄調控的單個成分進行遺傳修飾。可以通過區分養分吸收和養分利用來克服當前的局限性。

在減少氮肥方面有前景的努力涉及複雜的合成生物學策略，用於將固氮酶工程應用到植物中，或者在主要農作物中建立共生固氮，否則只存在於豆類中。由於涉及大量的基因、氧敏感和金屬輔助因子(鐵和鉬)，功能性多亞基固氮酶的實現具有挑戰性。為了實現光合作用和N2固定的時空分離，建議將線粒體作為實現固氮酶的合適靶標。然而，如何實現正確的線粒體靶向、固氮酶亞基的功能性和固氮酶金屬簇的組裝仍有待分析。朝這個方向邁出的第一步包括在本氏菸草中瞬時表達和正確靶向16個固氮酶亞基蛋白。

另一種策略是在農作物中建立根瘤菌-豆類共生。這需要四個基因調控程序的協調工程：i)結瘤因子感知，ii)根瘤器官發生，iii)細菌感染，iv)在根瘤內建立固氮酶活性。

與前面提到的方法相比，自下而上構建合成植物微生物群是同時提高植物對氮和磷的利用率的一種合適的策略。理解植物微生物組的巨大努力集中在它的工程潛力上，可能很快會在這種合成聯合體的普遍實施中得到體現。

植物微生物相互作用的建立依賴於植物激素。特別是在介導與叢枝菌根真菌和固氮菌共生的過程中，獨腳金內酯起著至關重要的作用。設計有針對性和受調控的獨腳金內酯分泌，或能夠招募有用的微生物用於植物營養的代謝產物的生產和釋放，可能是一種簡單的改善營養的策略。

四.合成生物學在中國的發展及在雅拉至尊特種肥上的應用

1資助力度持續加大

我國國家自然科學基金委員會對合成生物學領域的資助始於2007年，至2016年已資助合成生物學相關項目121項，共計經費1.2億元。在面上項目和創新研究群體項目中，均已投入3000～4000萬元的資助。重點項目和國際（地區）合作與交流項目資助金額均已超過1000萬元。

在973項目和863項目的支持下，主要開展的研究涉及微生物製造、腫瘤治療和植物改造等。這些項目目前都取得了顯著進展，達到國際領先或首創水平，完成產業轉型變革。

2論文與專利發表數量日益增加

我國合成生物學論文的迅速增長期始於2010年，主要源於973和863等重大研究計劃從2010年開始相繼支持合成生物學研究。同時以「合成生物學」為主題的首屆「中德前沿探索圓桌會議」2010年在中國科學院上海生命科學研究院開幕，標誌著中國的合成生物學研究開始步入國際軌道。

在國家知識產權局的專利檢索平臺通過檢索、人工判讀的方式獲得在我國國家知識產權局申請的合成生物學相關專利963件，1987年國家知識產權局開始有受理合成生物學專利申請，之後專利申請數量緩慢增長，直至2013年，專利申請數量達到峰值114件。

3研究成果形成突破性進展

目前我國科學家已人工合成16條真核生物釀酒酵母染色體中的4條，佔國際已完成數量的66.7%。這意味著我國已經成為繼美國之後第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家，這不僅使我國在該領域形成了一系列人工合成的突破性技術和成果，也使我國進入了國際合成生物技術領域的第一梯隊，由「跟跑」階段進入「並跑」階段。

江南大學食品科學與工程專業，2019-2020年軟科世界一流學科連續兩年排名世界第一。2020年6月29日，軟科正式發布2020「軟科世界一流學科排名」（ShanghaiRanking's Global Ranking of Academic Subjects）。2020年排名覆蓋54個學科，涉及理學、工學、生命科學、醫學和社會科學五大領域。此次排名的對象為全球4000餘所大學，共有來自90個國家和地區的1800餘所高校最終出現在各個學科的榜單上。「食品科學與工程」學科排名中，中國高校表現亮眼：江南大學、瓦格寧根大學和中國農業大學位列三甲，華南理工大學、南京農業大學和浙江大學分列第四至六位。

4、雅拉至尊使用江南大學合成生物學技術γ-氨基丁酸（GABA）

江南大學利用重組鈍齒棒桿菌以葡萄糖為底物一步法合成γ-氨基丁酸的方法，屬於合成生物學術領域，利用基因工程技術，構建安全高效的鈍齒棒桿菌工程菌。該菌以葡萄糖為底物一步法合成γ-氨基丁酸的方法，屬於基因工程和酶工程合成生物學技術領域，具體涉及基因工程重組鈍齒棒桿菌生產γ-氨基丁酸的方法。

γ-氨基丁酸是天然存在於某些生物體內的非蛋白質胺基酸。在食品、飼料、醫藥等領域具有廣泛的應用。2009年，衛生部批准γ-氨基丁酸為新資源食品，這意味著γ-氨基丁酸在國內市場跨入了一個嶄新時代。作為肥料增效劑使用，γ-氨基丁酸在促進植物生長上具有顯著的效果，特別是在逆境條件下肥效突出，提高植物在逆境下的抗性，改善植物生長。

γ-氨基丁酸能在植物體內同時發揮代謝與信號分子的雙重作用，大幅提升作物對肥料養分吸收水平，雅拉至尊通過3年的田間試驗和超過2年的市場推廣應用表明，γ-氨基丁酸能夠顯著促進大量元素氮磷鉀和中微量元素鈣鎂硼鋅的吸收。作為三羧酸循環的另一個支路，相當於激活作物第二「大腦」，促進作物生長。γ-氨基丁酸還能誘導植物何晨乙烯，調節植物體pH值，調節植物細胞滲透壓，增強抗高、低溫抗早衰能力，提高作物抗病能力，參與植物防禦系統。大幅提升作物收穫品質。

參考文獻資料：

1 合成生物學對未來農業的影響 CaSBIO 中科院生物科技戰略情報 2019-12-27

2 合成生物學領域專利競爭態勢分析 謝華玲 李東巧 遲培娟 楊豔萍 中國生物工程雜誌 2019,39（4）