首发：4月13日《新华每日电讯》成风化人
作者：新华每日电讯采访人员周琳、董雪
你见过“细胞工厂”吗？在这里 ， 生产线上忙碌工作的不是“打工人” ， 而是一颗颗通过显微镜才能看清楚的细胞 ， 它们不吃饭也不睡觉 ， 只要有阳光和空气 ， 就能生产出一系列人们需要的高价值天然产物 。
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上海交大生命科学技术学院副教授倪俊在实验室 。 （受访者供图）
上海交通大学生命科学技术学院副教授倪俊将这样神奇的“细胞工厂”变为现实 ， 他使用基因编辑等合成生物技术对蓝藻进行改造 ， 通过引入其他植物的天然产物“生产线” ， 让繁殖速度快、光合效率高的蓝藻也能生产出相应的高附加值物质 。
以天然活性抗氧化成分白藜芦醇为例 ， 葡萄、花生等植物中的白藜芦醇含量通常不足万分之一 。 使用“蓝藻工厂”后 ， 每生产一吨白藜芦醇 ， 可以相应缩短生产周期240倍 ， 节约土地72750亩 ， 同时吸收二氧化碳超过两千吨 。
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这是一瓶瓶经过不同改造的蓝藻 ， 在这里经过初步培养后 ， 研究人员将对这些蓝藻进行筛选 。 受访者提供
【生产线|他建设“细胞工厂”，让蓝藻变身细胞“打工人” | 电讯人物】拓荒：改造“植物祖先”蓝藻
“你可以随心所欲改造蓝藻 ， 引入不同植物的代谢途径 ， 就相当于把蓝藻变成‘人参’‘葡萄’等植物 。 ”倪俊说 ， “理论上来说 ， 只要是自然界植物能产生的物质 ， 都能用‘蓝藻工厂’来生产 。 ”
凭借在合成生物学领域取得的成果以及对环境保护做出的贡献 ， 倪俊成为2019年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区得主 。
2013年前后 ， 将大肠杆菌、酵母菌改造为“细胞工厂”的生物合成技术正在蓬勃发展 。 在科学家们的努力下 ， “细胞工厂”可以利用葡萄糖为原料 ， 大量生产特定的有机物 。
但是 ， 葡萄糖依旧是一笔不小的成本 ， 称不上真正的“绿色合成” ， 能不能直接利用植物的光合作用 ， 用二氧化碳做原料？当时正在上海交通大学攻读博士学位的倪俊有了一个大胆的想法：有着“植物祖先”之称的单细胞生物蓝藻能表达几乎所有植物源的基因 ， 而且内部结构非常简单便于改造 ， 还可以直接利用太阳能驱动二氧化碳来合成产物 ， 非常适合用作植物天然化合物的生产平台 。
“我一开始简单地想把植物的代谢途径放进蓝藻细胞内 ， 但是没有得到想要的结果 ， 之后又做了很多探索优化 ， 用一年多时间才完成对蓝藻的定向改造 。 ”倪俊说 。
2015年 ， 倪俊首次将光合微生物直接用于转化太阳能和温室气体二氧化碳生产一系列高值天然产物 ， 成为光驱动合成生物学领域名副其实的拓荒者 。 他通过完善光合微生物的改造方式 ， 使得光合效率提高近70% ， 还揭示出光合部分关键机制 ， 为植物光合效率进一步提高和人工光合自养体系设计奠定了基础 。
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这是实验室内的5L平行发酵罐 ， 可以同时对多个改造后的细胞进行性能的测试和优化 。 受访者提供
革新：将科研搬进工厂造福于民
发论文更重要？还是应用更重要？在技术不断突破的同时 ， 倪俊对科研的意义也有了新的认识 。
“当学生的时候 ， 希望通过发论文来得到认可 ， 但是我现在更希望自己的研究成果能有用 。 有很多技术的价值不在于发篇论文来体现学科上的创新性 ， 而是应用效果更好、产量更高 ， 能通过大规模生产造福于民 。 ”倪俊说 。
倪俊1987年出生于江苏扬州 ， 学习生物学是他从小的理想 。 当时 ， 国内学界曾掀起一场生物学浪潮 ， “21世纪是生物学的世纪”在许多年轻人心中埋下理想的种子 。 倪俊也深受感染 ， 读高中时就开始参加生物竞赛 ， 高考报志愿时毫不犹豫地选择了生物学 ， 立志成为一名生物学领域的科学家 。
倪俊回忆 ， 他本科期间的导师从事环境生物修复研究 ， 用微生物降解农药残留 ， 修复土壤环境 。 尽管年过花甲的导师付出了很多心血 ， 但由于市场动力不足等原因 ， 技术未能成功应用 ， 这件事一直鞭策着他 。
倪俊在取得技术突破后 ， 专注于将蓝藻“细胞工厂”真正地搬进工厂 ， 而不是局限于实验室 。 目前 ， 他开发出磷源替代方法 ， 使蓝藻养殖实现不灭菌的敞开式培养 ， 摆脱发酵罐的设备成本和灭菌的能耗成本 。 而且让产物存在于细胞里 ， 避免了从蓝藻中提取纯化的成本 ， 不用把细胞弄破就可以直接使用 。
“生产很多化合物不再需要大型的工厂和农场 ， 用罐子或池子就行 ， 就像传统的养藻一样简单方便 。 ”倪俊说 。
“香料之王”香兰素、天然活性抗氧化成分白藜芦醇、生物基可降解塑料聚乳酸、具有保湿等功效的1 ， 3-丙二醇……倪俊用技术手段直接颠覆了一些领域化工生产或大规模种植作物后提取特定产物的生产方式 ， 受到市场欢迎 ， 在促进经济可持续发展的同时 ， 对缓解气候变化也起到积极的作用 ， 为我国实现碳达峰、碳中和目标提供新解 。
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这是种子罐（左）和300L发酵罐（右） ， 细胞工厂在这里进入中试环节 ， 完成后才能进入工厂的规模化生产 。 受访者提供
挑战：加速中国合成生物学产业的发展
倪俊有一个担忧：一个生物体中起功能的基因有数千个 ， 起到调控作用的元件也有很多 ， 整个代谢网络非常复杂 。 怎么做到引入一个代谢途径 ， 能够与微生物自身的代谢网络完美合并？删去哪些基因 ， 又怎样添加新的基因 ， 才能让微生物最大化地产生想要的产物？答案是：借助自动化设备大量做实验 ， 不需要科研人员自己动手 ， 高通量的、准确的数据会修正科研人员使用的代谢模型 。
“如果有一天自动化设备能用这样的方式将代谢模型改进到非常准确的程度 ， 现在医药、化工领域的很多产业将不复存在 。 现在还没有大规模取代 ， 是因为在大多数领域生物法的效率还没有超越化学法或植物提取的效率 。 ”倪俊说 。
倪俊表示 ， 合成生物学发轫于2000年左右 ， 快速发展的时间还不到10年 。 从科研端来看 ， 国内外合成生物学的科研水平相差不大 ， 甚至中国在一些技术上领先于国外 。 比如 ， 第一个将酿酒酵母的16条染色体重新设计并人工合成1条的技术就是出自中国团队 。 但是 ， 在自动化设备方面 ， 在人工智能与合成生物学交叉的领域 ， 我们还有一些欠缺 。
“欧美的学科交叉发展得更好 ， 有很多合成生物学的平台型应用型企业 ， 但目前 ， 中国还缺少这种平台企业将合成生物学的各个环节整合起来 ， 提高可实际应用合成生物技术的开发速度 。 ”倪俊说 ， 这是中国在合成生物学产业上跟国外差距很大的原因 。
“将科研与企业相融合 ， 促进人工智能、自动化技术与合成生物学交叉发展 ， 着力发展新型的合成生物平台公司 ， 才能加速中国合成生物学产业的落地与发展 。 ”倪俊说 。
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监制：姜锦铭 | 责编：刘小草 | 校对：陈素芬
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