合成生物學(xué)在化工新材料領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

陳潔 ， 黃永康 ， 王希

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114

石油作為絕大多數(shù)化工材料的終端原材料，一方面正在面臨資源枯竭的問(wèn)題，另一方面，由能源化工生產(chǎn)或者石油作為燃料帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也越加突出。傳統(tǒng)石化工藝技術(shù)突破和技術(shù)革新面臨著極大的瓶頸。與此同時(shí)，天然生物的種類(lèi)和多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)石化材料，因此，新材料合成生物學(xué)是一個(gè)創(chuàng)新且可行的解決方案。

1 合成生物學(xué)在新材料領(lǐng)域的應(yīng)用

合成生物學(xué)起源于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，它的出現(xiàn)和發(fā)展得益于基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和DNA合成成本的大幅下降、生物基因數(shù)據(jù)規(guī)模數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)，通過(guò)整合物理、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)等理性工具對(duì)生物細(xì)胞的基因進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，從而獲得生物學(xué)目標(biāo)功能［1］。利用合成生物學(xué)，有望通過(guò)設(shè)計(jì)和篩選目標(biāo)基因、組裝人工細(xì)胞、構(gòu)建微生物細(xì)胞代謝新途徑合成工業(yè)化學(xué)品，進(jìn)而取代石油化工合成路線的目標(biāo)，圖1列出了合成生物學(xué)和材料合成生物學(xué)近20年來(lái)主要的里程碑事件。

圖1 合成生物學(xué)和材料合成生物學(xué)主要里程碑時(shí)間表Fig. 1 Timeline of major milestones in synthetic biology and materials synthetic biology.

從理論上來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)的化工材料都可以借助合成生物技術(shù)從生物原料（如秸稈等）中制得，同時(shí)合成生物技術(shù)還可以合成傳統(tǒng)化工工藝不能合成的新材料，是一種生產(chǎn)綠色、條件溫和且原料廣泛的新工藝。如今，對(duì)菌種進(jìn)行基因改造的技術(shù)已相對(duì)成熟，經(jīng)過(guò)特定基因編輯后的大腸桿菌和谷氨酸棒狀菌已廣泛用于PHA、PHB、PLA、戊二胺、丁二酸等化學(xué)制品的生產(chǎn)（圖2）。

圖2 當(dāng)前主要生物基化學(xué)產(chǎn)品Fig.2 Currently the main biological based chemical products.

2 新材料合成生物學(xué)的技術(shù)路徑

合成生物學(xué)是生物化工產(chǎn)業(yè)鏈的底層核心技術(shù)之一。如圖3所示，完整的生物化工全產(chǎn)業(yè)鏈有6大環(huán)節(jié)，包括基因工程、菌種培育、發(fā)酵過(guò)程、分離純化、改性合成和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。因此，一個(gè)細(xì)胞就像是一個(gè)工廠。細(xì)胞工廠的構(gòu)建首先需要?jiǎng)?chuàng)建微生物的基因組代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出目標(biāo)化學(xué)品的最優(yōu)合成途徑，避免其他副產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)，使目標(biāo)化學(xué)品的合成途徑在熱力學(xué)上可行，合成過(guò)程能量供給充足［2］。還原力的供給及碳代謝流分布是生物合成制造過(guò)程中不可或缺的因素，底物代謝產(chǎn)生的還原力必須滿足用以合成化學(xué)品所需的還原力。此外，自然狀態(tài)下，如不摻雜人為因素，微生物合成途徑中各個(gè)酶的催化效率幾乎不可能達(dá)到非常協(xié)調(diào)的狀態(tài)，催化效率慢會(huì)限制合成的速度，催化效率快會(huì)導(dǎo)致中間代謝物累積使細(xì)胞“中毒”，這些都會(huì)制約細(xì)胞工廠的生產(chǎn)速率。因此，優(yōu)化合成途徑使其達(dá)到平衡協(xié)調(diào)的狀態(tài)這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要。目前主要通過(guò)多基因調(diào)控技術(shù)及蛋白骨架技術(shù)來(lái)調(diào)整基因序列或者酶的順序來(lái)提升催化效率。

圖3 合成生物學(xué)的一般途徑Fig. 3 A general approach to synthetic biology.

合成途徑優(yōu)化之后，一個(gè)初步的細(xì)胞工廠就誕生了，但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，還需進(jìn)一步優(yōu)化其生理性能，如：為了獲得高產(chǎn)量，需要讓細(xì)胞適應(yīng)高滲透壓。為了能在酸性條件下發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸，應(yīng)避免添加中和劑、簡(jiǎn)化下游分離提取工藝，使細(xì)胞適應(yīng)酸性環(huán)境。同時(shí)，為了避免污染和節(jié)約能耗，需要讓細(xì)胞適應(yīng)高溫［3］。進(jìn)化代謝和全局?jǐn)_動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展可以有效地提高細(xì)胞的生理性能。在此基礎(chǔ)上，使用各種高通量組學(xué)分析技術(shù)解析細(xì)胞性能提升的遺傳機(jī)制，并用于新一輪細(xì)胞工廠的構(gòu)建［2］。

3 化工新材料合成生物學(xué)的研究領(lǐng)域

3.1 生物新能源開(kāi)發(fā)

生物新能源包括生物發(fā)電、生物燃料等多種形式。大多數(shù)生物質(zhì)都可以通過(guò)開(kāi)發(fā)人工合成細(xì)菌，將其直接轉(zhuǎn)化為與常規(guī)燃油兼容的生物燃油，如乙醇等，甚至直接從太陽(yáng)獲取能量，用以制造清潔燃料。美國(guó)科學(xué)家利用基因改造的方法使大腸桿菌擁有制造正丁醇的能力，并設(shè)法增強(qiáng)代謝過(guò)程，提高正丁醇生產(chǎn)效率［4］。利用微生物可以再生的生物質(zhì)為原料進(jìn)行高級(jí)醇的生產(chǎn)可同時(shí)緩解當(dāng)前的能源與環(huán)境危機(jī)，已成為綠色生物制造的重大發(fā)展方向［5］。

3.2 微生物機(jī)器人

汪漢杰教授將光遺傳學(xué)技術(shù)中的光合轉(zhuǎn)基因光敏蛋白運(yùn)用到微生物上，為解決生物活藥工程菌載體有效可控定殖提供了一種新思路［6］。運(yùn)用合成生物學(xué)技術(shù)對(duì)微生物進(jìn)行改造，由此制作的生物機(jī)器人可以用來(lái)清理海洋中的微塑料污染［7］，或者作為可生物降解的藥物輸送機(jī)器人［8］、處理核廢料［9］等。未來(lái)微生物機(jī)器人的作用也將是無(wú)限的，例如，作為手術(shù)助手疏通血管以及密閉軍事作業(yè)環(huán)境中污染物的檢測(cè)與清理等。

3.3 化工新材料

以“基因調(diào)控·工程設(shè)計(jì)”為核心的合成生物學(xué)技術(shù)從分子、細(xì)胞層面極大地推動(dòng)了生命科學(xué)的發(fā)展，也為材料科學(xué)的發(fā)展注入新的思路和活力。合成生物學(xué)技術(shù)在材料科學(xué)中以基因回路設(shè)計(jì)為核心，概念應(yīng)用為線索，成功應(yīng)用于高分子生物材料和無(wú)機(jī)納米材料領(lǐng)域的生產(chǎn)和制造［10］。近年來(lái)，涌現(xiàn)了大量的合成生物技術(shù)公司，致力于用合成生物的工藝取代傳統(tǒng)石油化工裂解工藝來(lái)生產(chǎn)聚合物單體甚至大分子材料［11-13］。

3.4 生物醫(yī)藥開(kāi)發(fā)

屠呦呦團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)構(gòu)建人工生命體，并采用組裝生物合成途徑生產(chǎn)出了抗瘧疾藥物青蒿素，成功地將合成生物學(xué)帶入更多研究者的視野［14-15］。合成生物學(xué)有助于更多天然藥物及類(lèi)似物工藝的開(kāi)發(fā)、腫瘤治療的免疫細(xì)胞設(shè)計(jì)、更加快速且精準(zhǔn)的診斷試劑和體外診斷系統(tǒng)、促進(jìn)疫苗研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。合成生物學(xué)已在感染性疾病、代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了初步嘗試，并顯示出較為理想的治療效果。隨著社會(huì)老齡化現(xiàn)象的加劇，醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)將為人類(lèi)的健康提供更多的可能性。

3.5 生物量子計(jì)算機(jī)

張川副教授團(tuán)隊(duì)基于化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，利用DNA計(jì)算實(shí)現(xiàn)了置信度傳播算法，進(jìn)而提出了利用DNA計(jì)算實(shí)現(xiàn)任意碼長(zhǎng)、碼率以及節(jié)點(diǎn)自由度的LDPC譯碼器的設(shè)計(jì)方法，使得低密度奇偶校驗(yàn)（low-density parity-check，LDCP）碼在生物領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能［16］。DNA鏈在自組裝、結(jié)構(gòu)和行為方面也顯示出可編程的前景，就像基于計(jì)算機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)?？删幊痰纳到y(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中，其可以感知周?chē)沫h(huán)境，根據(jù)決策采取行動(dòng)。運(yùn)用合成生物學(xué)對(duì)人造生物體設(shè)計(jì)、構(gòu)建的生物計(jì)算機(jī)和基于生物合成材料的新型量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力有望比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)高出數(shù)億倍，在此基礎(chǔ)上研發(fā)智能計(jì)算機(jī)，可具備人腦的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等功能，給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)生活帶來(lái)難以估量的顛覆性影響［17-18］。

4 化工新材料領(lǐng)域合成生物學(xué)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與前景

一直以來(lái)，合成生物學(xué)在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域的應(yīng)用一直廣受關(guān)注，而其在新材料、化工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)展才剛剛拉開(kāi)序幕。據(jù)DeepTech統(tǒng)計(jì)，2021年全國(guó)合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模約為64億美元，相比2020年之前增長(zhǎng)約2～3倍。國(guó)內(nèi)的企業(yè)大多處于初創(chuàng)階段，與國(guó)外企業(yè)尚有一定的差距，但國(guó)內(nèi)政策和資源優(yōu)勢(shì)明顯，企業(yè)發(fā)展后勁十足。

4.1 合成生物學(xué)在新材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

合成生物技術(shù)可以降低工業(yè)過(guò)程能耗15%～80%，原料消耗35%～75%，減少空氣污染50%～90%，水污染33%～80%［19］。2020年9月30日，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)生物多樣性峰會(huì)上提出二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，吹響了減少碳排放的號(hào)角［20］。值此背景，2020—2021年，中國(guó)有兩家合成生物學(xué)領(lǐng)域的公司上市，同時(shí)，9家合成生物學(xué)公司獲得融資，其中4家公司獲得上億元的投資。2021年，西部大開(kāi)發(fā)綜合改革示范區(qū)和山西省以罕見(jiàn)力度支持凱賽生物主導(dǎo)打造山西千億級(jí)生物材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)?？梢哉f(shuō)，2020年是新材料合成生物學(xué)爆發(fā)的元年。

從實(shí)驗(yàn)室到真正產(chǎn)業(yè)化仍面臨著大量學(xué)科交叉的生物制造問(wèn)題與挑戰(zhàn)。目前，國(guó)際上具有代表性的新材料合成生物學(xué)項(xiàng)目包括：杜邦以生物發(fā)酵法制造1，3-丙二醇項(xiàng)目、Metabolix和UPM集團(tuán)從纖維素糖生產(chǎn)1，2-丙二醇項(xiàng)目、NatureWorks可降解塑料聚乳酸項(xiàng)目、森瑞斯以合成生物技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工業(yè)大麻和新材料橡膠的生產(chǎn)中試及其產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目等。但是以上部分項(xiàng)目工業(yè)化進(jìn)展均面臨不同程度的挑戰(zhàn)，如成本高、競(jìng)爭(zhēng)力差等。但整體上來(lái)看，生物合成材料已開(kāi)始邁入產(chǎn)業(yè)化階段，越來(lái)越多的投資者和從業(yè)者開(kāi)始關(guān)注新材料合成生物學(xué)領(lǐng)域，并且已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的投資和探索。尤其是國(guó)外的一些跨國(guó)企業(yè)已經(jīng)在1，3-丙二醇等材料實(shí)現(xiàn)了合成生物材料的商業(yè)突破，而中國(guó)在新材料合成生物領(lǐng)域擁有專(zhuān)利技術(shù)和最終產(chǎn)品的公司數(shù)量仍然較少。但以華恒生物、凱賽生物為代表的中國(guó)企業(yè)已經(jīng)在某些細(xì)分市場(chǎng)中獲得了技術(shù)的突破或擁有獨(dú)到的產(chǎn)品，逐步成長(zhǎng)為世界領(lǐng)先的合成生物科技企業(yè)之一。

4.2 國(guó)外合成生物企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

巴斯夫是全球最大的化工公司，其產(chǎn)品涵蓋了化學(xué)品、塑料、特性產(chǎn)品、作物保護(hù)產(chǎn)品以及原油和天然氣。巴斯夫的生物基產(chǎn)品包括生物基BDO、PBAT、TPU、可再生涂料等。不久前，巴斯夫宣布攜手中國(guó)科學(xué)院在長(zhǎng)春成立了可持續(xù)材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

Genomatica作為生物合成的領(lǐng)先企業(yè)，在生物基材料的合成制備上擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，其在2016年與Novamont共同打造的3萬(wàn)t·a-1生物基BDO項(xiàng)目是全球最早的生物基BDO項(xiàng)目之一。此外，Genomatica還拓展了生物基尼龍、丁二烯、1，3丁二醇等一系列化工產(chǎn)品。

目前索爾維已經(jīng)在一些生物基產(chǎn)品上處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位，包括瓜爾膠、生物源溶劑、高性能聚酰胺和天然香蘭素。2022年8月，索爾維宣布推出一個(gè)新的可再生材料和生物技術(shù)平臺(tái)，致力于利用可再生原料和生物技術(shù)為一系列市場(chǎng)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的可持續(xù)解決方案。新平臺(tái)將通過(guò)增加可再生碳在索爾維產(chǎn)品組合中的比重，比如生物基丙烯腈、生物基碳纖維，并利用生物技術(shù)開(kāi)發(fā)新的業(yè)務(wù)機(jī)遇，從而滿足市場(chǎng)對(duì)可持續(xù)解決方案不斷增長(zhǎng)的需求。

4.3 國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

安徽華恒生物科技股份有限公司是全球首家以發(fā)酵法生產(chǎn)丙氨酸并在國(guó)際上獨(dú)家擁有核心發(fā)酵法生產(chǎn)L-丙氨酸技術(shù)、全球首家運(yùn)用生物酶工程技術(shù)制造β-丙氨酸的高新技術(shù)企業(yè)。在這一生物制造過(guò)程中，葡萄糖中的碳原子全部轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-丙氨酸的碳原子，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程在低能耗的無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行，完全沒(méi)有二氧化碳排放。在生物制造L-丙氨酸的生命周期中，空氣中的二氧化碳經(jīng)過(guò)光合作用生成淀粉，淀粉水解制成的葡萄糖以沒(méi)有碳損失的方式生物轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-丙氨酸，L-丙氨酸及其衍生產(chǎn)品又以二氧化碳的方式回到大氣中。因此，生物制造L-丙氨酸的全生命周期中，其碳原子是完全守恒的，沒(méi)有二氧化碳的凈排放，是一個(gè)典型的“碳中和”化學(xué)品。

北京藍(lán)晶微生物科技有限公司成立于2016年，是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的生物法功能分子和新材料制造商，主要產(chǎn)品管線包括生物可降解材料PHA（聚羥基脂肪酸酯）、再生醫(yī)學(xué)材料、美妝新功能成分、新型食品添加劑等。2021年4月7日，北京藍(lán)晶微生物科技有限公司成立子公司江蘇藍(lán)素生物材料有限公司并發(fā)布了年產(chǎn)2.5萬(wàn)t生物降解新材料聚羥基脂肪酸酯（PHA）的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。

上海凱賽生物技術(shù)股份有限公司成立于2000年，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品主要聚焦聚酰胺產(chǎn)業(yè)鏈，為生物基聚酰胺以及可用于生物基聚酰胺生產(chǎn)的原料，包括DC12（月桂二酸）、DC13（巴西酸）等生物法長(zhǎng)鏈二元酸系列產(chǎn)品和生物基戊二胺，在全球生物法長(zhǎng)鏈二元酸市場(chǎng)份額中占據(jù)80%以上。2020年，凱賽生物與山西政府達(dá)成合作，預(yù)計(jì)投資80億元人民幣，投資項(xiàng)目包括240萬(wàn)t玉米深加工項(xiàng)目、年產(chǎn)50萬(wàn)t生物基戊二胺項(xiàng)目、年產(chǎn)90萬(wàn)t生物基聚酰胺項(xiàng)目和年產(chǎn)8萬(wàn)t生物法長(zhǎng)鏈二元酸項(xiàng)目。

2016年，中糧生物科技股份有限公司與清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等單位合作研發(fā)PHA生產(chǎn)工藝及其共混材料。2021年8月，中糧科技年產(chǎn)1 000 t PHA裝置在中糧榆樹(shù)公司開(kāi)工建設(shè)，該項(xiàng)目也是目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化程度最高、標(biāo)準(zhǔn)化集成的PHA生產(chǎn)裝置。

4.4 合成生物學(xué)在新材料領(lǐng)域的應(yīng)用前景

近年來(lái)，世界上主要經(jīng)濟(jì)體之間的競(jìng)爭(zhēng)逐漸從芯片、能源領(lǐng)域拓展到了生物領(lǐng)域。近年來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)開(kāi)始大力發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)，一方面可以促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，另一方面也能進(jìn)一步鞏固其在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。美國(guó)政府在《國(guó)家生物能源藍(lán)皮書(shū)》中，明確了5項(xiàng)充分實(shí)現(xiàn)生物經(jīng)濟(jì)潛力的戰(zhàn)略目標(biāo)。同時(shí)，美國(guó)在《生物質(zhì)技術(shù)路線圖》提出“2030年替代25%有機(jī)化學(xué)品和20%石油燃料”的宏遠(yuǎn)目標(biāo)［19］。2019年3月，美國(guó)生物質(zhì)研究與開(kāi)發(fā)理事會(huì)發(fā)布《生物經(jīng)濟(jì)計(jì)劃：實(shí)施框架》，這是在綱領(lǐng)性文件《國(guó)家生物能源藍(lán)皮書(shū)》指引下制定的具體實(shí)施方案，核心目標(biāo)是最大限度利用政府投資加速生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2022年9月12日，拜登在白宮簽署了一項(xiàng)關(guān)于促進(jìn)生物技術(shù)和生物制造創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、安全和有保障的美國(guó)生物經(jīng)濟(jì)的行政命令。2019年5月，加拿大發(fā)布首個(gè)國(guó)家生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略《加拿大生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略——利用優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性未來(lái)》。該戰(zhàn)略的核心目標(biāo)是希望通過(guò)促進(jìn)生物質(zhì)和殘余物的最高價(jià)值化，實(shí)現(xiàn)自然資源的有效管理。2019年7月，歐洲生物產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《生物技術(shù)工業(yè)宣言2019——重振歐盟生物技術(shù)雄心》。2021年12月20日，英國(guó)政府宣布為生物質(zhì)原料創(chuàng)新計(jì)劃（Biomass Feedstocks Innovation Program）的第二階段提供2 600萬(wàn)英鎊資助，獲得第一階段資金的實(shí)體有資格申請(qǐng)。生物質(zhì)原料創(chuàng)新計(jì)劃將通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提高生物質(zhì)原料產(chǎn)量、降低成本和提高盈利能力，擴(kuò)大可持續(xù)來(lái)源的生物質(zhì)原料和能源作物的生產(chǎn)［21］。此外，法國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、意大利等國(guó)家都相應(yīng)發(fā)布了有關(guān)生物經(jīng)濟(jì)相關(guān)的政策。在亞太地區(qū)，2018年6月，日本正式發(fā)布《生物戰(zhàn)略2019——面向國(guó)際共鳴的生物社區(qū)的形成》［22］。2019年5月22日，韓國(guó)發(fā)布《生物健康產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》及發(fā)展愿景。

“十二五”以來(lái)，我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)以超過(guò)15%的年復(fù)合增長(zhǎng)速率發(fā)展。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在《“十三五”生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出，“生物產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)創(chuàng)新最為活躍、影響最為深遠(yuǎn)的新興產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的主攻方向，對(duì)于我國(guó)搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命制高點(diǎn)，加快壯大新產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新經(jīng)濟(jì)、培育新動(dòng)能，建設(shè)健康中國(guó)具有重要意義?！?022年5月10日，中國(guó)國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，是我國(guó)首部“生物經(jīng)濟(jì)五年規(guī)劃”，規(guī)劃提出發(fā)展生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)替代、生物安全4大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，明確“十四五”時(shí)期生物經(jīng)濟(jì)總量規(guī)模邁上新臺(tái)階。如今，在產(chǎn)業(yè)生命周期中，我國(guó)生物合成制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)邁進(jìn)了快速發(fā)展的階段，能夠賦能生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)全世界再工業(yè)化都有著不可或缺的作用。近年來(lái)，政府主管部門(mén)也相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策（圖4）。

圖4 中國(guó)合成生物材料相關(guān)政策時(shí)間線Fig. 4 China's policy timeline on synthetic biomaterials.

麥肯錫全球研究院（Mc-Kinsey Global Institute）發(fā)布的研究報(bào)告將合成生物學(xué)列入未來(lái)十二大顛覆性技術(shù)之一的“下一代基因組學(xué)”技術(shù)之中，預(yù)計(jì)到2025年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟(jì)影響將達(dá)到1 000億美元［19］。以化工品為例，2019年全球化學(xué)品市場(chǎng)規(guī)模有4萬(wàn)億美元，其中大部分的化學(xué)品合成和催化反應(yīng)都有潛力被合成生物技術(shù)替代，而目前已經(jīng)被酶催化或生物合成替代的產(chǎn)品不足千分之一。很多高附加值且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然化合物只有在生物途徑中能夠合成，通過(guò)傳統(tǒng)的化學(xué)工藝很難進(jìn)行合成。如表1所示，2017—2024年，全球合成生物學(xué)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將每年以28.81的速度增長(zhǎng)［23］。

表1 2017—2024年全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模[23]Table 1 2017—2024 global synthetic biology market size[23]

5 展望

生物合成學(xué)在材料領(lǐng)域的拓展是傳統(tǒng)觀念發(fā)酵技術(shù)的一種革新。相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)合成技術(shù)，其碳排放更低，生產(chǎn)流程更短，但同時(shí)也面臨著產(chǎn)物提純和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。未來(lái)新的提純技術(shù)是合成生物學(xué)興起的重要制約技術(shù)，同時(shí)隨著新的基因代謝路徑的設(shè)計(jì)，更多的材料將能夠通過(guò)生物合成的方式生產(chǎn)。