世界上的工廠千千萬萬，但你見過“細胞工廠”嗎？在這裏，生產車間裏忙碌的不是“打工人”，而是一個個用顯微鏡才能看清楚的細胞，它們不吃不睡，兢兢業業生產出人類需要的高價值天然產物。今天，就讓我們一起走進“細胞工廠”，見識一下那些神奇的“微生物打工仔”。
細胞裏建工廠？科學家打造了一個奇幻世界
今年《政府工作報告》提出，加快發展新質生產力，積極打造生物製造等新增長引擎。而蓬勃興起的“細胞工廠”，正在為發展生物經濟釋放出巨大潛力。
所謂“細胞工廠”，是指科學家將生物細胞設計成一個個“加工廠”，以細胞自身的代謝機能作為“生產流水線”，以酶作為催化劑，通過計算機輔助，設計高效、定向的生產路線，並且通過基因技術，強化有用的代謝途徑，從而將生物細胞改造成一個個 “超級工廠”。
它為人類打開了“一切皆可造”的想象空間。比如，隻要一個細胞，就能推動各種人造動物肉生產，不需要適配血型，還能長期保存、隨取隨用人造血。再比如，以玉米等植物為原料，合成更輕量、可回收的基建材料。它還能讓稀缺用藥，成為普通人買得到、用得起的好藥。
“細胞工廠”與我們平常熟知的工廠一樣，具有不同生產階段的車間，即微生物的細胞器等。但“細胞工廠”的本質，又區別於一般工廠。有時，細胞工廠可能隻是由一類微生物組成，並不具備完善的流水線工程。
如今，在科學家設計下，秸稈、木薯、藍藻等生物質原料，通過微生物細胞工廠的作用，可轉變成丁二酸、甲烷、乙醇等化學產品，為化學工業體係提供原料。
“細胞工廠”能夠以可再生的生物質資源，替代不可再生的化石資源，以清潔生物加工方式，替代化學加工方式，具有節能、環保、高效、可持續的特點。
可以說，繼醫藥生物技術、農業生物技術之後，工業生物技術成為國際生物技術發展的“第三次浪潮”。
據世界經濟合作與發展組織預測，到2025年，合成生物學與生物製造的經濟價值將達到1000億美元，到2030年，35%的化學品和其他工業品，將出自工業生物技術，每年可降低25億噸二氧化碳排放。未來全球60%的物質生產，可通過生物製造方式實現。
在這個已“鳴槍起跑”的生物經濟新賽道上，通過“細胞工廠”合成生物，或可解決人類食品短缺、能源緊張、環境汙染、醫療健康等方麵問題，對全球可持續發展至關重要。
吃空氣產萬物，“藍藻工廠”走入現實
“我們打造的是以陽光和空氣為原料的‘細胞工廠’，使用基因編輯等合成生物技術，改造光合微生物藍藻，利用藍藻繁殖速度快、光合作用效率高的特點，規模化生產特定物質。”上海交通大學生命科學技術學院特別研究員倪俊介紹。
以化妝品中常用的天然活性抗氧化成分——“白藜蘆醇”為例，在葡萄、花生等植物中，“白藜蘆醇”含量通常不足萬分之一。使用“藍藻工廠”後，每生產一噸“白藜蘆醇”，可相應縮短生產周期240倍，節約土地72750畝，吸收二氧化碳超過2000噸。
“我們可以隨心所欲改造藍藻，引入不同植物的代謝途徑，就相當於把藍藻變成‘人參’‘葡萄’等植物。”倪俊說，“從理論上說，隻要是自然界植物能產生的物質，都能用‘藍藻工廠’來生產。”
改造藍藻的過程並不複雜，第一步是明確想得到什麽物質，比如某種材料分子或藥物分子。然後分析這種物質在植物中的代謝路徑，將路徑中需要的每一個基因，都編輯到藍藻中去。
簡單來說，就是利用“基因剪刀”，把相關基因片段剪輯下來，再插入藍藻細胞的基因序列中，藍藻細胞就具備了合成這種物質的能力。
這些改造過的藍藻細胞可快速繁殖，隻要有空氣和陽光，就能生產出葡萄糖、甘油、薑黃素、白藜蘆醇等各類物質。
世界上的微生物千千萬萬，為什麽會想到改造藍藻？倪俊解釋，有“植物祖先”之稱的單細胞生物藍藻，能表達幾乎所有植物源的基因，而且內部結構非常簡單，便於改造，還可以直接利用太陽能，驅動二氧化碳來合成產物。
如今，藍藻“細胞工廠”已不再局限於實驗室，而是真正搬進了工廠，產出了“香料之王”香蘭素、天然活性抗氧化成分白藜蘆醇、生物基可降解塑料聚乳酸……目前，倪俊團隊正在建設一條產量約10噸的規模化生產線，用來生產高附加值產物。
未來我們吃的“肉”，可能是微生物造的
肉類是我們獲取蛋白質的主要來源之一，隨著人口增長、城市化進程加快，全球植物蛋白和動物蛋白人均需求量顯著增長。因此，人類一直在尋找替代蛋白，以製造出健康又環保的“肉”。
目前替代蛋白主要有三類：植物蛋白、細胞蛋白、發酵蛋白，其中發酵蛋白最具發展前景。
“發酵蛋白也叫微生物蛋白，是一種以葡萄糖、澱粉、糖蜜、合成氣、二氧化碳等為底物，在細胞工廠，利用微生物發酵方式生產的蛋白。”中科院天津工業生物技術研究所李德茂研究員介紹，發酵蛋白中的蛋白含量高達40%—80%，且不含膽固醇，對心腦血管疾病患者更加友好。
利用發酵蛋白製作的雞肉，在口感、香味等方麵的仿真度，可達85%左右。
“微生物發酵生產蛋白的速度，是植物的500倍，是動物的2000倍。”李德茂介紹，一畝大豆田每年可收獲約130千克大豆，獲得52千克植物蛋白。而利用100噸發酵罐進行微生物發酵，一年能生產近100萬千克發酵蛋白。
此外，發酵蛋白轉化率也較高。通過微生物發酵方式，利用1千克澱粉，可以生產出190—200克蛋白，然而用1千克澱粉喂養家禽、家畜，僅能分別生產出47克和14克蛋白。
相比而言，細胞蛋白生產雖不受原料限製，但培養條件苛刻，科研人員需要從動物體內提取幹細胞，並利用血清等多種營養物質“喂養”，使其不斷“成長”，因此生產成本較高。
“目前，發酵蛋白也有應用於飼料和醫療領域的潛力。”李德茂介紹。國際上，發酵蛋白食品也層出不窮。英國一家公司利用發酵蛋白技術進行食品開發，先後上市了健身蛋白粉、發酵蛋白“肉”漢堡、香腸、肉卷等產品。
美國一家公司則利用微生物來製造乳清、酪蛋白等，模擬出真正的牛奶，並推出首款生物製乳蛋白冰淇淋。
“具有特殊功能的發酵蛋白，也可應用在醫療領域。”李德茂表示，人們未來可以開發生產具有特殊功能的發酵蛋白，例如富硒蛋白，可同時發揮蛋白和硒的功能作用。
新型酵母“細胞工廠”，有望取代傳統農藥和添加劑
“好一朵美麗的茉莉花，芬芳美麗滿枝椏”，這是許多人都熟悉的歌詞。這幾年茉莉備受人們喜愛，有商家將茉莉花串成手鏈，也有商家將茉莉花放入奶茶、豆漿中作為佐料。
如今，在中科院深圳先進技術研究院湯紅婷研究員手中，“茉莉”不再以花朵形式存在，而是以化合物和氣味的方式存在。
不久前，她和同事在釀酒酵母中，合成了植物激素“茉莉酸”，首次構建了可用於合成茉莉酸類化合物的“酵母細胞工廠”。
眾所周知，酵母是一種微生物，它們喜歡吃糖和澱粉，通過發酵的方式，產生能量和乙醇。我們平時做麵包、葡萄酒和啤酒都離不開它們。
在湯紅婷的研究中，她將酵母作為一個理想底盤，來構建各種屬性的細胞工廠。比如，利用酵母的生物合成能力，將二氧化碳和纖維素等廉價碳源，轉化為高價值產物；利用酵母來生產重組蛋白，用於食品、能源、醫藥等領域。
正是在酵母的幫助下，湯紅婷和同事合成了茉莉酸等天然產物，也合成了糖類化合物和乙醇等能源物質。
茉莉酸是植物天然激素，很有潛力取代傳統農藥，通過調控植物的生長和品質，提高對病蟲害的抵抗力，從而減少農藥的使用量。因此，茉莉酸類化合物是“綠色農藥”的重要候選分子。
此外，憑借獨特的茉莉花香味，茉莉酸類化合物還可作為香料，用於食品和化妝品中，增添迷人的花香。
隨著合成生物技術不斷發展，未來利用酵母，可以高效合成茉莉酸類化合物，並能實現工業化生產，從而帶來廣泛的應用前景。
湯紅婷表示，看似隻是關於小小茉莉的成果，其實背後蘊含著綠色生物製造的宏大命題。想實現“綠水青山”這一目標，綠色生物製造是其中一項重要路徑。
知多一點
“細胞工廠”破解白色汙染難題
據統計，2015年至2023年，全球塑料產量從3.2億噸增至4.3億噸。2022年，我國廢塑料產量超6000萬噸，其中僅1800萬噸實現回收利用。隨著我國《“十四五”生物經濟發展規劃》的出台，生物降解塑料，被視為解決白色汙染的最新方案。生物降解塑料PBS，便是利用“細胞工廠”製造出來的成功代表。科學家以秸稈為原料，創建出大腸杆菌“細胞工廠”，進而生產出“丁二酸”，可用於製造PBS。
天津工業生物所所長馬延和介紹，這種方法讓生產丁二酸的成本大幅降低，二氧化碳排放量下降94%，使未來PBS生物塑料的大規模應用成為可能。清華大學科研人員則通過改造嗜鹽菌，讓其在餐廚廢棄物水解物中生長，從而生產出生物降解塑料PHB，包括PHB在內的PHA，是一係列由微生物合成的天然高分子聚合物，能夠在有氧和無氧條件下實現生物降解，是可以完全降解的新型生物材料。目前，我國已走在全球PHA產業化的前列，規劃產能超過10萬噸。這也為餐廚廢棄物資源化利用，提供了一個全新途徑。相比普通塑料動輒上百年的降解周期，PHA製品進入海洋後，約1—3年即可實現完全自然降解。同時，純PHA製品對海洋和陸地動物無害，即使食用也沒有大的傷害。
來源：大眾日報
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