金斯瑞解讀｜綠色的合成生物學

上期Dr.G向大家解讀了合成生物學在藥物學中的應用，今天，讓我們把繼續目光投向對於人類來說最重要的一類生產活動吧，它就是農業。農業是我們賴以生存的基礎，通過種植作物，我們可以生產出源源不斷的糧食、木材，藥物等。它不僅給予了地球上所有人的口糧，而且還為我們提供其他生產生活所需要的物資。隨著社會的發展越來越快，傳統農業也需要不斷地提高生產效率與質量，從而滿足人類的各項需求。合成生物學作為一門新型發展的學科，可以在各行各業施展身手，今天Dr.G將向大家解讀目前合成生物學在農業中的應用。

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人類馴化植物已有了幾千年的歷史，在漫漫歷史長河中，人們根據不同生存環境的需要，精心選育出適合生產的植物。而這些被選擇的品種是因為自然進化形成的，自然進化的時間非常漫長，是一個「隨機」的事件，因此，在古代如果人們要選育出一種產量更高，對環境更適應的植物通常需要上百年的時間。現代合成生物學在農業上的應用主要是「定向進化」。我們知道，合成生物學的核心概念是「模塊化」，也就是說，將一個一個的功能裝載進植物內，像模塊一樣，從而使植物的性能更好，更適應環境，滿足人類的需求。因此，我們不再需要經歷幾百上千年從自然進化中作選擇，合成生物學使得人類擁有了「上帝之手」。

計算機模擬計算：一個表型的自然進化的時間之長（35萬年） 圖片來源：參考文獻

首先，合成生物學可以通過修改植物體內的代謝通路，使得農作物固定碳能力增強，或者通過增加植物細胞代謝和和運輸過程的能效，減少植物的碳損失，從而達到提高產量的目的。例如：在菸草中加入光呼吸途徑的模塊，可以使其產量提高40%。在未來，研究人員還在嘗試作出更大膽的設計：跳出天然的二氧化碳代謝途徑，設計新的羧化酶來重新配置植物體內的呼吸途徑。

自然界中存在的幾類二氧化碳代謝途徑 圖片來源：參考文獻

其次，通過合成生物學，我們可以將內源性信號分子或代謝產物的合成生物傳感器與特定的調控元件結合，重新編程細胞，組織和器官的形成過程，從而創造出以新方式適應環境的「智能植物」。例如，通過連接到合適的輸出電路的工程生物傳感器，使得植物具有監測環境營養水平、汙染物等的功能。

生物傳感器的應用 圖片來源：參考文獻

最後，就像之前我們所提到的合成生物學在藥物學中的應用，植物是一個天然的藥材庫，植物細胞內的很多活性成分能夠幫助人類抵禦疾病，但是植物的生長周期非常緩慢，尤其是珍稀藥材如人參、紫杉醇等。利用合成生物學，我們可以將植物體內相關活性成分生成的代謝通路模塊化地添加到各種底盤細胞如細菌、酵母中，從而大量表達生產需要的藥物。既提高產量，又保護生態圈的可持續發展，可謂是一舉多得。

我們有理由相信，在不久的將來，合成生物學將會改變大部分農業生產方式，使它武裝上科學的力量，不僅極大地提高農作物的產量，也會改善農業生態圈的健康狀況。同時，合成生物學的應用還有很多很多，在農業上，它是綠色的，下一次，它又是什麼顏色？Dr.G將會為你持續帶來更多有關合成生物學的前沿內容，歡迎關注！

參考文獻：

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