【轉載】丁奎嶺院士：合成科學(xué)，通往“物質(zhì)自由”的希望之門(mén)
合成生物學(xué)作為催動(dòng)原創(chuàng )突破、學(xué)科交叉融合的前沿學(xué)科，已成為繼發(fā)現DNA雙螺旋結構所催生的分子生物學(xué)革命、人類(lèi)基因組計劃實(shí)施所催生的基因組學(xué)革命之后的第三次生物技術(shù)革命，被《自然》《科學(xué)》等國際頂尖期刊及多國智庫評為十大顛覆性技術(shù)之一，已成為新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的前沿焦點(diǎn)，各國競相在這一領(lǐng)域制定發(fā)展路線(xiàn)圖。
隨著(zhù)生命科技（BT）與信息科技（IT）的融合發(fā)展，合成生物學(xué)將人類(lèi)帶入了設計、創(chuàng )造生命，繼而走向“物質(zhì)自由”的全新階段，有望改變傳統的生產(chǎn)方式。如今，在人工智能的引領(lǐng)與賦能下，合成生物學(xué)走到了一個(gè)至關(guān)重要的發(fā)展關(guān)口，一些指向未來(lái)的創(chuàng )新“核爆點(diǎn)”正在形成。
這一顛覆性技術(shù)、革命性思維將引發(fā)怎樣的變革？在上海市中國工程院院士咨詢(xún)與學(xué)術(shù)活動(dòng)中心日前舉行的合成生物學(xué)專(zhuān)題院士沙龍上，中國工程院院士楊勝利、中國科學(xué)院院士丁奎嶺分別作了學(xué)術(shù)報告，從不同角度介紹合成生物學(xué)即將開(kāi)啟的未來(lái)“造物時(shí)代”所面臨的機遇與挑戰。
——編者
合成科學(xué)是分子創(chuàng )制的核心和基礎，包含化學(xué)合成和生物合成兩種重要方式，它與生命、健康、農業(yè)、材料和能源等領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)。未來(lái)的合成需要高水平的創(chuàng )造力和洞察力去探索無(wú)限可能性，讓人類(lèi)在分子創(chuàng )制方面獲得更大自由。
跨越生物學(xué)與化學(xué)兩大學(xué)科的合成科學(xué)，是一個(gè)有望在未來(lái)形成創(chuàng )新“核爆點(diǎn)”的領(lǐng)域。三大生命物質(zhì)合成、生物降解與轉化，乃至DNA信息存儲和計算等領(lǐng)域的發(fā)展，都需要生物合成與化學(xué)合成的融合。作為中國合成生物學(xué)研究的重鎮之一，上海應積極作為，引領(lǐng)中國成為世界合成科學(xué)學(xué)術(shù)中心之一。
合成創(chuàng )造“影響世界的分子”
合成包括化學(xué)合成與生物合成，其目的是創(chuàng )造有功能的物質(zhì)。分子創(chuàng )制對整個(gè)人類(lèi)的影響非常大，它從生命健康、農業(yè)、材料、能源等多方面改變了人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式。
到目前為止，人類(lèi)能夠合成或鑒定的分子有多少種？截至2021年5月的數據是1.5億個(gè)。根據化學(xué)空間理論預測，人類(lèi)能夠創(chuàng )造的分子數量有多少？答案是10的63次方！因此，人類(lèi)迄今所觸及的分子合成空間，只是滄海一粟。
切莫小覷了小小的分子，一個(gè)小小的藥物分子一年銷(xiāo)售額可以高達200億美元，價(jià)值相當于近200架大飛機。比如，索非布韋12周可以治愈丙肝，青蒿素讓人類(lèi)不再懼怕瘧疾，而合成氨、液晶等分子的合成創(chuàng )制，更是給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)了劃時(shí)代的影響?？梢哉f(shuō)，現代社會(huì )人類(lèi)70多歲的平均壽命，與物質(zhì)的創(chuàng )造及其所帶來(lái)的技術(shù)發(fā)展為人類(lèi)帶來(lái)的福祉息息相關(guān)，它使我們的生命延長(cháng)，也使我們的生活更便捷、更美好。
分子合成的發(fā)展，從化學(xué)角度大致經(jīng)歷了從無(wú)機到有機、從平面到立體、從小分子到大分子、從簡(jiǎn)單到復雜的過(guò)程。未來(lái)的合成一定是精準、高效和綠色的，而合成的分子一定是具有功能的。這也是為什么合成生物學(xué)從誕生之初就受到非同尋常的關(guān)注，盡管這門(mén)學(xué)科及產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過(guò)程中還有很多極具挑戰的技術(shù)問(wèn)題需要攻克，但它的確是人類(lèi)通往未來(lái)合成與理想分子的“希望之門(mén)”。
“細胞工廠(chǎng)”讓物質(zhì)合成更簡(jiǎn)單
合成科學(xué)面臨的最大機遇和挑戰是什么？首先是要想辦法讓分子合成變得更簡(jiǎn)便。以復雜藥物分子為例，現在很多藥物分子的合成非常繁瑣，有的甚至需要經(jīng)過(guò)幾十個(gè)步驟，為此科學(xué)家正在嘗試更簡(jiǎn)單的合成路徑。比如，通過(guò)合成生物學(xué)的途徑可以生產(chǎn)清潔燃油，用生物方法“吃掉”塑料。未來(lái)，合成生物學(xué)若能實(shí)現常溫常壓下人工固氮，將會(huì )對人類(lèi)功莫大焉，要知道，目前工業(yè)合成氨消耗了地球上2%的能源。
由化學(xué)家創(chuàng )造的三大合成材料塑料、合成纖維、合成橡膠，結束了人類(lèi)依靠天然材料的歷史，徹底改變了人類(lèi)的生活方式?？梢哉f(shuō)，當前人類(lèi)的合成科技已經(jīng)達到了空前的成熟度。人類(lèi)甚至一度認為，無(wú)論多么復雜的分子，只要結構明晰且穩定存在、只要有充足的資源供應，就能將它合成出來(lái)。
但事實(shí)是，很多分子的合成非常困難，研發(fā)一款新藥平均需要篩選10萬(wàn)個(gè)化合物、花費超過(guò)10年時(shí)間和10億美元。能不能有更簡(jiǎn)單的方法？新興的點(diǎn)擊化學(xué)將引領(lǐng)這一潮流，它讓分子鏈接變得像系安全帶那樣方便、精準，日益成為材料、制藥、生物學(xué)研究中的常用工具。
合成生物學(xué)本質(zhì)上是一個(gè)“細胞工廠(chǎng)”的理念，它將細胞作為一座工廠(chǎng)，以酶促反應作為橋梁，在基因與最終產(chǎn)物分子結構之間建立邏輯關(guān)聯(lián)，基于細胞工廠(chǎng)提高產(chǎn)量，加速分子的進(jìn)化、演變和拓展應用。它將分子合成的一道道工序都濃縮在“細胞工廠(chǎng)”里去完成，這就使物質(zhì)的合成變得輕而易舉。
目前，合成生物學(xué)已經(jīng)歷了20多年的快速發(fā)展。大約10年前曾有一場(chǎng)激烈論戰，探討合成生物學(xué)與合成化學(xué)誰(shuí)更具優(yōu)勢。與化學(xué)合成相比，合成生物學(xué)有其獨到的優(yōu)勢，例如中間體無(wú)需純化、不需要保護基、高立體選擇性、利用可再生資源等?，F在看來(lái)，它們最終一定會(huì )走向交叉融合，讓我們實(shí)現創(chuàng )造物質(zhì)的自由。無(wú)論是在細胞工廠(chǎng)還是在真實(shí)的工廠(chǎng)中合成物質(zhì)，人們總希望它具有定量的收率、完美的選擇性且沒(méi)有廢物產(chǎn)生，歸結到最基礎的科學(xué)問(wèn)題，仍然是化學(xué)鍵的活化、斷裂和重組。
抓住機遇搶占合成科學(xué)制高點(diǎn)
隨著(zhù)化學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，化學(xué)合成與生物合成出現了由點(diǎn)到面的快速融合、相互促進(jìn)的趨勢，為合成科學(xué)帶來(lái)了前所未有的創(chuàng )新機遇。未來(lái)的合成科學(xué)應以功能分子創(chuàng )制為導向，以合成化學(xué)與合成生物學(xué)為綱，尋求二者從理論到技術(shù)的全方位深度融合，突破傳統的學(xué)科研究范式，拓展合成科學(xué)發(fā)展的新空間，由此構建我國在合成科學(xué)領(lǐng)域的新格局，在把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命重大機遇的同時(shí)，搶占未來(lái)合成科學(xué)領(lǐng)域的制高點(diǎn)。
上海在合成生物學(xué)領(lǐng)域有著(zhù)自己的優(yōu)勢，我們沒(méi)有理由不把它做好。例如在青蒿素的合成上，目前僅通過(guò)合成生物學(xué)途徑只能到青蒿酸。上海交通大學(xué)通過(guò)合成生物學(xué)與合成化學(xué)的融合，再用兩步化學(xué)合成，就可以將青蒿酸變成青蒿素。目前團隊得到的青蒿素結晶純度為65%，未來(lái)能不能做到80%或更高？能不能把成本降到每千克1000元以下？如果能夠做到，那我們就沒(méi)有必要再去種青蒿來(lái)提取青蒿素了。目前，該項目正與藥企推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。
除了青蒿素的人工合成，上海交通大學(xué)還用合成生物學(xué)方法，實(shí)現了從淀粉糖、纖維素糖到乳酸的高效合成，并取得了核心專(zhuān)利，后續可通過(guò)化學(xué)合成將乳酸轉化為生物可降解材料聚乳酸，目前正在牽手企業(yè)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化。最近，我們還運用合成生物學(xué)方法，實(shí)現了從二氧化碳直接合成聚乳酸方面的“從0到1”的突破。未來(lái)，這些都將是巨大的產(chǎn)業(yè)，當成本下降到一定程度后，人類(lèi)目前面臨的白色污染問(wèn)題將得到有效解決。
合成生物學(xué)與合成化學(xué)的交叉融合，將會(huì )是一個(gè)長(cháng)期促進(jìn)的過(guò)程。合成生物學(xué)家應該增強對生物合成反應機制的深層次認知，包括酶的結構與催化功能的關(guān)系、酶的動(dòng)態(tài)催化機制、生物轉化的化學(xué)原理和復雜分子的生物合成策略等；化學(xué)家應該學(xué)習和模擬生物體系的能量和物質(zhì)的轉化機制，構筑高效的仿生催化劑和人工酶，發(fā)展高效的仿生反應，實(shí)現各種功能分子的高效、精準創(chuàng )造。與此同時(shí)，我們尤其需要通過(guò)生物合成與化學(xué)合成的融合，聚焦具有重大戰略?xún)r(jià)值的合成轉化和功能分子，對接醫藥、材料、能源、健康、碳中和、人工固氮等重大產(chǎn)業(yè)和社會(huì )問(wèn)題，解決單一合成手段無(wú)法解決的挑戰性難題。
展望未來(lái)，化學(xué)合成與生物合成的交叉研究，還將加深人類(lèi)對生命和自然的認識，有助于我們從新的角度去思索地球演化、環(huán)境失衡、生命進(jìn)化及健康和疾病等基礎問(wèn)題，提出創(chuàng )造性的解決方案。
作者：丁奎嶺（許琦敏根據報告整理）
編輯：許琦敏
責任編輯：任荃
來(lái)源：文匯報 合成科學(xué)，通往“物質(zhì)自由”的希望之門(mén)—新聞—科學(xué)網(wǎng) (sciencenet.cn)
