“细胞工厂”的过去、现在和未来

本文来自微信公众号：iSynBio造物 （ID：gh_1c7f920d8f21），作者：短腿小马达，讲座：罗小舟，题图来自：视觉中国

《周礼·天官》记载“酒政举酒之改令……辨五齐之名：一曰泛齐，二曰醴齐，三曰盎齐，四曰醍齐，五曰沉齐。”

《礼记·月令》中说：“（仲冬之月）乃命大酋，秫酒必齐，曲蘖必时，湛积必洁，水泉必香，陶器必良，必齐必得。兼用六物，大酋兼之，毋有差贷。”

“五齐六法”工艺是中国乃至世界上最早的酿酒工艺记载，短短四个字，浓缩了古人千年的智慧。在还不懂得发酵为何物时，每当果品和粮食有了剩余人们便将其堆积，在一定的温度、湿度和微生物的作用下，自然发酵成酒。经过长期反复实践，古人总结出了不同的酿造技艺，得到了酒的不同风味。

从几千年前的酿酒、酿造酱油，到近代的青霉素生产，微生物发酵显著地改变了人类的生活方式，也带来了社会的变革和进步。19世纪后期，微生物发酵逐渐发展成了一门科学，通过探究其底层原理，我们现在已经可以更有效地利用已被“驯化”的微生物作为一个“细胞工厂”来为人类的生产生活进行服务。

微生物发酵制品已经广泛地进入了我们的生活，我们每天接触的许多物品，比如味精、可降解吸管、玻尿酸面膜等都离不开微生物发酵的身影。

本次讲座将简单介绍微生物“细胞工厂”的历史、现状以及未来发展方向，让我们更加理解这些微小的生命将给我们带来怎样的变化。

青贮饲料：给动物腌个“酸菜”   

今年5月份的时候发生了一个社会事件：很多农民在小麦成熟之前，提前一个月就收割了，说是这样能够卖到更高的价格。但是有很多人说不能这样干，可能会影响我们国家的粮食安全。

我当时看到这个新闻，看到了大家非常多的留言，都有着一个同样的疑问——为什么农民要收割未成熟的小麦呢？

因汛情青贮供给出现缺口

实际上，农民把这些还处于青涩状态的麦子也好，其他的一些谷物也好，甚至一些玉米秸秆也好，提前收割后是要用于制作青贮饲料。青贮饲料并不是一个全新的概念。

早在1945年，诺贝尔化学奖颁发给了芬兰化学家阿尔图里·伊尔马里·维尔塔宁（Artturi Ilmari Virtanen），表彰他发明了一种可以长期储存饲料的方法，用这种方法保存的饲料便是青贮饲料的最初雏形。这个发明在当时解决了全球家畜冬季饲料短缺的难题。

芬兰化学家阿尔图里·伊尔马里·维尔塔宁（Artturi Ilmari Virtanen）

维尔塔宁出生在一个奶农世家。芬兰位于北极圈内，气候寒冷，到了冬天，整个芬兰被白雪覆盖，寸草不生，没有足够的饲料，饲养奶牛的草料只能依靠进口。草料本身是不贵的，可问题在于，新鲜的草料十分容易变质腐败，进口草料也难以撑过整个寒冬。

那么他就想着我们能不能在冬天降临前提前准备好草料。他的解决办法很巧妙，非常类似于我们东北冬季腌酸菜，将这些草在冬季来临前先“腌”好。首先，在夏秋季收割新鲜牧草后，通过添加乳酸菌压实密封。缺氧条件下，乳酸菌帮助草料发酵使pH降低（pH 3.5~4.2），从而有效地抑制其他微生物的生长，而后乳酸菌自身的生长也会被抑制，发酵过程停止，饲料进入稳定储存期。

这样一种通过草料发酵来提升草料的保质期的方法，时至今日仍在世界范围内大规模使用。而在这个改变全球畜牧方式的发现中，微生物扮演着非常关键的作用。

英国生物学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）

同年的诺贝尔生理学和医学奖的获奖者大家可能会更熟悉一些。奖项授予了三位科学家，他们分别是：Alexander Fleming（亚历山大·弗莱明）、Howard Florey和Ernst Boris Chain，三位科学家为青霉素的发现提取做出了重大贡献，为青霉素在医学等领域的应用奠定了基础，也为科学界其他抗生素的发现和应用提供了经验方法。

青霉素的发现，使人类找到了一种具有强大杀菌作用的药物，结束了传染病几乎无法治疗的时代。青霉素本来便存在于地球上，弗莱明通过发现一株霉菌可以产生一些杀死细菌的物质，发现了青霉素。

但因为青霉素的抗性越来越严重，现在大家更多使用头孢作为消炎药。头孢的最主要的结构其实跟青霉素很相似。而大部分的头孢其实也是先经由微生物合成，然后再加上一些化学修饰来生产。所以实际上是这些微生物在替我们生产药物。

缘起千年，民以“食”为天

其实日常生活中已经有很多微生物在帮助我们，但我们并不知道，因为它们太容易被忽略。

早上，大家会吃油条喝豆浆，配上馒头、包子、面包……制作面食需要发面，而发面就会用到微生物。

中午，我们要准备做饭，要炒菜。炒菜的过程中会用到酱油和醋，它们都是酿造出来的，酿造在本质上也是一个发酵的过程。

下午大家可能会想到喝下午茶，学生们可能更喜欢喝酸奶或者点一杯奶茶，然后加一块钱就可以使用一个可降解吸管。以上这些东西实际上都是跟发酵有关的，茶叶是需要发酵的，酸奶也是需要发酵的，就连可降解吸管它的主材料PHA也能通过发酵生产。

晚上，大家可能会去聚餐，聚餐可能会吃到泡菜，酸的风味其实也是由发酵产生的。

在吃饭的过程中偶尔会想喝点“快乐肥宅水”。其实“肥宅水”现在基本上不放糖，取而代之的是加入果葡糖浆。果葡糖浆是什么？它是利用微生物把玉米淀粉水解掉，然后制备出来的一类糖。主要成分是果糖，甜度更高，可以放更少的量。喜欢喝水的话，现在也有加入玻尿酸的瓶装水，里面加入的也是发酵生产的玻尿酸。酒就更不用多说了，酿酒也是通过发酵。

睡前，懂得护肤的年轻人都会敷个面膜。玻尿酸面膜的主要成分玻尿酸是发酵得来的。然后会涂一点保湿的成分，现在比较火的保湿成分角鲨烯、神经酰胺等，这些也都是通过发酵得来的。

早在公元前4000年，中国人已经开始收集和利用蘑菇，蘑菇是利用木头作为基底来进行发酵的产物。公元前3000年开始酿造酱油、葡萄酒，制作发酵奶以及乳酪、啤酒、面包等。

为什么一开始都是用于制备食物？因为一开始其实人类不懂得发酵，只是把这些豆子、葡萄等，放了一段时间，发现他们会产生一些特殊的风味，同时不容易腐败变质。由此开始知道并运用上了发酵。

“细胞工厂”是如何工作的

传统的细胞工厂，大概分为三类：

嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）：主要产乳酸，广泛用于酸奶、泡菜等。

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）：主要产二氧化碳和酒精，广泛用于发面、酿酒等。

醋酸菌（Acetobacter aceti）：主要产乙酸，广泛用于酿醋、果醋等。

无论是做任何形式的发酵，首先需要有糖，然后细菌或者酵母这些微生物就会把这些糖转化成更有价值的像乙醇（酒精）或者说乙酸（醋），或者其他一些风味物质。这就是传统的细胞工厂在做的一些事情。

实际上在生物化学中，当一分子的葡萄糖（C6）被这些微生物吸收之后，经过一系列的化学反应，产生了两分子的ATP，两分子的NADH，然后变成了两分子的C3（Pyruvic acid）三碳化合物。

因为不同菌的代谢通路不一样，有一些它能把 C3转化成另一种三个碳的化合物，也就是乳酸，同时消耗掉产生的NADH；另外一些则会再做一步新的反应，消耗掉NADH的同时产生了一个二氧化碳，也就是减少了一个碳，产物就变成了乙醇或者乙酸。

NADH 和 NAD+其实在不断地循环生成，微生物依靠这个方式从糖里面产生得到了两分子的ATP。ATP 是这些微生物，也是其他生物所使用的能量分子。所以微生物也是为了自己的存活去做这些事情。这个过程的副产品二氧化碳可以帮我们把面团蓬松起来，而乙醇就可以带来一些像酒精这样的风味饮料。

随着时间的推移，科学家知道了越来越多这样的化学反应。大家做饭或者外出吃饭，菜里面基本都会添加味精或者鸡精，它们本质上是一种叫做谷氨酸钠的物质。科学家们花了几十年的时间去研究它是怎么得来的，一步一步地把这些合成通路上的酶全都找到了。

终于我们知道了该如何去改造它，去生产更高产的谷氨酸。同样科学家也去做了很多探索，研究出其他一些化合物的合成方法。比方说切开一个柠檬，或者在一个柠檬味的汽水里面通常会有很强的柠檬气味，这个气味分子实际上叫做柠檬烯。科学家也去研究了柠檬烯究竟是怎么从糖一步一步就合成出来的。

针对这样不同的合成的通路的研究，科学家们总结出了下面这张图。大家可以认为这是整个细胞工厂的“车间图”，它看上去非常复杂。整个细胞实际上是在不断地做各种各样的化学反应。

这张图里面的每一个点都是一个物质，每一条线就是这个物质可以转化成下一个物质，这个物质是由上一个物质转换来的。当科学家们拿到了这张图之后，知道了细胞里面是怎么在发生这些化学反应，哪一些是相关的，哪一些是不相关的，就可以根据这个图来改造微生物，让这些微生物按我们想让它们去做的方向去做一些事情。

理解生命“按图索骥”

过去100年里，大家主要做的是在理解生命。我们不断地根据我们的认知，去知道酿酒酵母它是“酿”出来乙醇，而这个乙醇是哪里来的，我们再去理解它，去研究清楚每一步是如何发生的。当我们充分理解之后，我们拿到了一个比较完整的路线图。

为什么说比较完整？因为我们对于实际上细胞里面的“图纸”的发现和理解还相当模糊，只有一部分或者说一小部分比较清晰。但是有了这一部分的“地图”，我们已经可以开始改造生命，甚至去创造生命。

过去10年间其实有很多这样的例子。其中一个比较成功的范例是青蒿素的微生物合成。我国的屠呦呦院士，研究出青蒿素用来治疗疟疾，荣获2015年诺贝尔生理学及医学奖。如果想要获得青蒿素，我们需要不断地去种植黄花蒿，这样会需要占用非常多的土地，因为它的产量其实很有限。

那么当我们有了“图纸”，也知道了在黄花蒿里青蒿素是如何被一步一步生产出来的，我们能不能像酿酒一样，通过改造酵母，把植物是怎样做的告诉酵母，然后让酵母来生产。

加州大学伯克利分校的Jay D. Keasling院士，也是我的博士后导师，他就去做了这件事情。他改造了酿酒酵母的一些基因，再导入了一些细菌的基因，再导入了一些黄花蒿里面的基因，最终我们就可以用酿酒酵母在一个像酿啤酒这样的发酵罐里面生产青蒿酸。

青蒿酸再在体外经过很简单的化学半合成就可以生产青蒿素了。一度世界上1/3的青蒿素产量是通过这样的方法发酵生产的，而不是通过土地种植。一个发酵罐基本上可以替代2万亩的农田，也就是说通过这一个发酵罐就可以让2万亩农田休整出来，去种植其他的一些更有经济价值的作物。

我们在做什么：生物研究的标准化

细胞工厂非常复杂，需要有很多方面的人才一起来加入研究。包括代谢工程、化学、自动化工程、数学建模、软件工程等都会对研究过程有所帮助。现在已经临近生物工业革命的前夕，在工业化之前，我们需要做的则是标准化。

标准化是什么？从1798年开始，工业上通过一些工艺流程的标准化，元件的标准化来推进领域发展。通过这样不断地标准化，使得我们做出来的东西更精密。就像你我手上的华为手机，只要是同一个型号，它几乎是分毫不差的，这就是标准化的意义。

我们现在在做的是生物研究的标准化。我们需要把图中的所有元件，包括一些调控的元件和算法等等，希望去把它们做成标准化。这样就可以实现元件的即插即用，以后去改造或者创造一个新的物种，就会变得更加容易。

为了做成这个事情，我们正在借鉴一些工程学的研究手段。比方说我们要做一架飞机，我们先要画图，在图纸上把飞机画出来，设计之后去把它做出来。做出来之后我们需要测试，测试可能会发现设计存在一些漏洞可以改进，这就是学习的一个过程。

通过学习我们会重新改进设计，这样形成一个闭环。我们不断地设计合成，然后测试学习，就可以把我们手上想做的这件事情做得越来越好，最终实现我们对生命的理解。我们现在就在不断地去做这样海量的工程化试错，从而能够做出性能更优异的细胞工厂。

传统的生物实验，大家都在实验台上辛辛苦苦地工作，但这并不是对人才最有效的利用。而现在利用一些自动化的实验设施，由机器来帮我们做实验，这样我们更能够通过海量的实验去寻求一些确定性的知识，革新了生物研究的范式。

细胞工厂正向着各种不同的方向进军。我们需要软件：一个复杂的合成通路，如果没有软件的辅助设计，人工很容易出错，而且有些东西是直接想不到的。我们需要DNA合成：我们本质上是在对生命体进行编程，需要将DNA合成出来，再通过物理的方法让它进入细胞，细胞才可能完成我们想让它完成的任务。我们需要生物体构建和自动化平台：我们需要去做海量的实验，希望利用自动化去帮助我们提高效率。

有了这些作为基础，“树上”就可以结出来很多“果子”。包括在医药上的应用，例如新冠的重组蛋白疫苗，是利用细胞生产出来的。以及在食品、农业、控虫、消费品、能源化学品等方面的应用。实际上细胞工厂已经渗透到我们生活的方方面面。

“细胞工厂”的未来

1. 衣

①生物基聚酰胺。来源更环保、性能更优异且持续性更强的“生物基”新材料，可广泛应用于纺织和工程材料领域。

②蛛丝蛋白。蜘蛛丝实际上是一种蛋白质，并且强度非常大，比铁还要坚固5倍。所以它做出来的衣服就会更加坚固耐磨。

③真菌皮革。现在可以用真菌去生产类皮革材料，未来可能再也不用去伤害动物获得皮革。

2. 食

①非动物来源牛奶——无牛牛奶。由经过改造的微生物生产的乳清蛋白制成（与牛奶中的蛋白质完全相同）。

②植物肉。通过真菌发酵后压制和调味，仅用植物产品制作，模仿真正牛肉的味道和质地。

③利用高纤维素木头碎屑生产蛋白质。

3. 住

①利用皮肤共生菌表达除虫菊酯，涂抹并定植在皮肤上，达到长期驱除昆虫，防止蚊子叮咬的效果。

②改造肠道菌治疗代谢类疾病。

4. 行

①生物柴油节能减排。

②太空“细胞工厂”。在火星上“殖民”改造后的地球微生物，用于改造火星环境，为人类创造宜居条件。

③生物技术支持的原地资源利用策略（bio-ISRU）。利用光合蓝藻和改造后的大肠杆菌，在火星条件（阳光、二氧化碳、火星水）下，生产火箭推进剂（2，3-丁二醇，2，3-BDO），减少运输成本和安全风险，解决航天器运回燃料问题。

讲座视频链接：http://www.isynbio-talk.cn/#/video/video-info/331

主讲人简介：罗小舟，研究员，中科院深圳先进技术研究院合成生物化学研究中心执行主任、国际知名期刊BMC Biotechnology副主编。罗小舟带领团队完成的大麻素的生物全合成是萜类化合物中的一个经典案例。课题组研究方向包括酶的定向进化、蛋白质工程、高通量筛选以及天然及非天然化合物的生物全合成。个人主页：http://luo-lab.com/

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