打造“细胞工厂”实现生物制造新飞跃 微元合成：探索“造物”神奇
发布时间：2024-12-05
信息来源：北京日报
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实验室里，研究人员通过精密操作对微生物进行设计和改造。 微元合成供图
阿洛酮糖，一种微量存在于无花果干、小麦叶中的稀有糖，口感与蔗糖类似，热量却几乎没有。这样的健康糖，却因产量低、价格昂贵，普通人难以享用。
这一情况有望改写。通过对微生物进行人为改造，定向设计的菌株将开启“魔法细胞工厂”，一边“吞食”葡萄糖，一边转化为阿洛酮糖。这样神奇的“造物”之术，背后是被誉为第三次生物技术革命的合成生物学。
在北京，正有一批年轻的企业奔跑在这一未来产业赛道上。2022年，刘波博士离开中国科学院微生物所并创立合成生物制造企业——微元合成。
谈到“下海”创业的初衷，刘波坦言，除了看好合成生物制造这一产业前景，团队也希望能够亲眼见证科技成果转化落地的过程。“过去，我们有一些科研成果通过授权方式转化，但最终落地成果怎么样？转化过程中有没有需要改进升级的地方？我们没能全程跟踪，这一点挺遗憾的。”
微元合成的创业方向是利用合成生物学打造“细胞工厂”，让一些原本稀有的物质原料通过这种新的“造物”方式更高效率、更低成本地生产出来。这一生产方式属于生物制造。
“生物制造其实不是新鲜概念，从古至今，人们酿酒、制醋，所采用的发酵手段就是生物制造。”刘波告诉记者，过去开启“细胞工厂”的菌株长期处于“靠天吃饭”阶段，直至人类逐步掌握了基因编辑和改造技术，才拥有了对微生物进行设计和改造的“上帝之手”，让生物制造有了新的技术飞跃。
走进微元合成的分子生物学实验室，研究人员正手拿形如大号针管的取液枪，在多个实验样本中加注实验液体。“这其实就是对微生物进行设计、改造的过程。”刘波形象地解释：“最初，我们会选取一个底盘微生物，它就好像汽车底盘。通过在底盘上加加减减，我们赋予这个底盘微生物特定的功能，从而构建能够开启‘细胞工厂’的菌株。”
在初步设计完成后，菌株会进入实验室的多尺度工艺放大平台，检验它作为“细胞工厂”的生产能力，并在验证过程中不断改进优化，直至其能够进入几层楼高的大型发酵罐，进行工业级量产。
生产阿洛酮糖的菌株正是这样诞生的。过去，阿洛酮糖价格昂贵，因为其生产路径需要经过两次转化，且两步单次转化效率仅在10%左右。同时，最终生成的阿洛酮糖与果糖混合存在，分离提纯成本高。
看中这一稀缺原料的市场前景，刘波带领科研团队，尝试在全球首创设计一种全新的转化路径——设计改造后的菌株，“吞食”葡萄糖原料就能够直接转化为阿洛酮糖，将传统的两步反应缩减至一步。这一过程中，阿洛酮糖的转化效率提升至80%，剩余葡萄糖原料则被微生物菌株直接代谢，从而大幅简化阿洛酮糖的分离提纯过程。
“目前这一技术已经在数十吨级的发酵罐中进行了工业化验证，明年将投入量产。”刘波表示。为加快这一全球首创技术的转化落地，2023年11月，微元合成与中国国际医药卫生有限公司合资，共同推动阿洛酮糖的商业化开发。量产后，阿洛酮糖的成本将下探至每吨1万元以下，比当前价格降低约一半。
“新质”看点 创新“秘笈”
高强度研发 保持创新力
合成生物被视为引领生物制造变革和生物经济发展的颠覆性技术，被誉为继DNA双螺旋结构发现、人类基因组计划之后的第三次生物技术革命，已成为大国科技竞争的制高点。
目前，北京已集聚80余家合成生物制造领域创新企业。《北京市加快合成生物制造产业创新发展行动计划（2024-2026年）》提出，到2026年，北京合成生物制造预计培育百家以上优秀初创硬科技企业，初步形成1到2个百亿级产业集聚区。
在刘波看来，作为合成生物学创业公司，始终保持创新力是企业生存的关键。经历三年发展，微元合成已经掌握了多项合成生物底层技术，如行业领先的合成生物元件库和代谢模型、模块化组装技术、酶分子改造与筛选技术、代谢分子动态监测技术平台等。
“相比具备较大规模量产和销售渠道等实力的成熟企业，我们的优势始终在创新。”除了阿洛酮糖，公司目前还手握叶黄素、甘露醇两种稀有物质原料的创新菌株，只等明年位于河北秦皇岛的工厂投用，就能实现量产。
更多创新菌株正在实验室里加速研发。近期，公司二期产业空间刚刚投用，新增3000平方米面积，其中大部分为实验空间。“我们一直在奔跑着做创新，此前的实验室空间不够用了，科研人员只能倒班做实验。”刘波介绍，目前公司已经储备了数十个相对成熟的技术管线，未来几年计划每年推出新产品进行商业化。（记者 赵语涵）
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