【轉(zhuǎn)載】丁奎嶺院士：合成科學(xué)，通往“物質(zhì)自由”的希望之門
合成生物學(xué)作為催動原創(chuàng)突破、學(xué)科交叉融合的前沿學(xué)科，已成為繼發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)所催生的分子生物學(xué)革命、人類基因組計劃實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，各國競相在這一領(lǐng)域制定發(fā)展路線圖。
隨著生命科技（BT）與信息科技（IT）的融合發(fā)展，合成生物學(xué)將人類帶入了設(shè)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(tǒng)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)走到了一個至關(guān)重要的發(fā)展關(guān)口，一些指向未來的創(chuàng)新“核爆點”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與學(xué)術(shù)活動中心日前舉行的合成生物學(xué)專題院士沙龍上，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)即將開啟的未來“造物時代”所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。
——編者
合成科學(xué)是分子創(chuàng)制的核心和基礎(chǔ)，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(nóng)業(yè)、材料和能源等領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)。未來的合成需要高水平的創(chuàng)造力和洞察力去探索無限可能性，讓人類在分子創(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)，是一個有望在未來形成創(chuàng)新“核爆點”的領(lǐng)域。三大生命物質(zhì)合成、生物降解與轉(zhuǎn)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(zhèn)之一，上海應(yīng)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)制對整個人類的影響非常大，它從生命健康、農(nóng)業(yè)、材料、能源等多方面改變了人類的生產(chǎn)生活方式。
到目前為止，人類能夠合成或鑒定的分子有多少種？截至2021年5月的數(shù)據(jù)是1.5億個。根據(jù)化學(xué)空間理論預(yù)測，人類能夠創(chuàng)造的分子數(shù)量有多少？答案是10的63次方！因此，人類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，一個小小的藥物分子一年銷售額可以高達200億美元，價值相當(dāng)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，更是給人類社會帶來了劃時代的影響。可以說，現(xiàn)代社會人類70多歲的平均壽命，與物質(zhì)的創(chuàng)造及其所帶來的技術(shù)發(fā)展為人類帶來的福祉息息相關(guān)，它使我們的生命延長，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)歷了從無機到有機、從平面到立體、從小分子到大分子、從簡單到復(fù)雜的過程。未來的合成一定是精準、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，盡管這門學(xué)科及產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中還有很多極具挑戰(zhàn)的技術(shù)問題需要攻克，但它的確是人類通往未來合成與理想分子的“希望之門”。
“細胞工廠”讓物質(zhì)合成更簡單
合成科學(xué)面臨的最大機遇和挑戰(zhàn)是什么？首先是要想辦法讓分子合成變得更簡便。以復(fù)雜藥物分子為例，現(xiàn)在很多藥物分子的合成非常繁瑣，有的甚至需要經(jīng)過幾十個步驟，為此科學(xué)家正在嘗試更簡單的合成路徑。比如，通過合成生物學(xué)的途徑可以生產(chǎn)清潔燃油，用生物方法“吃掉”塑料。未來，合成生物學(xué)若能實現(xiàn)常溫常壓下人工固氮，將會對人類功莫大焉，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(jié)束了人類依靠天然材料的歷史，徹底改變了人類的生活方式。可以說，當(dāng)前人類的合成科技已經(jīng)達到了空前的成熟度。人類甚至一度認為，無論多么復(fù)雜的分子，只要結(jié)構(gòu)明晰且穩(wěn)定存在、只要有充足的資源供應(yīng)，就能將它合成出來。
但事實是，很多分子的合成非常困難，研發(fā)一款新藥平均需要篩選10萬個化合物、花費超過10年時間和10億美元。能不能有更簡單的方法？新興的點擊化學(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“細胞工廠”的理念，它將細胞作為一座工廠，以酶促反應(yīng)作為橋梁，在基因與最終產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)之間建立邏輯關(guān)聯(lián)，基于細胞工廠提高產(chǎn)量，加速分子的進化、演變和拓展應(yīng)用。它將分子合成的一道道工序都濃縮在“細胞工廠”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年前曾有一場激烈論戰(zhàn)，探討合成生物學(xué)與合成化學(xué)誰更具優(yōu)勢。與化學(xué)合成相比，合成生物學(xué)有其獨到的優(yōu)勢，例如中間體無需純化、不需要保護基、高立體選擇性、利用可再生資源等。現(xiàn)在看來，它們最終一定會走向交叉融合，讓我們實現(xiàn)創(chuàng)造物質(zhì)的自由。無論是在細胞工廠還是在真實的工廠中合成物質(zhì)，人們總希望它具有定量的收率、完美的選擇性且沒有廢物產(chǎn)生，歸結(jié)到最基礎(chǔ)的科學(xué)問題，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
隨著化學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展與技術(shù)進步，化學(xué)合成與生物合成出現(xiàn)了由點到面的快速融合、相互促進的趨勢，為合成科學(xué)帶來了前所未有的創(chuàng)新機遇。未來的合成科學(xué)應(yīng)以功能分子創(chuàng)制為導(dǎo)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(tǒng)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(gòu)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，搶占未來合成科學(xué)領(lǐng)域的制高點。
上海在合成生物學(xué)領(lǐng)域有著自己的優(yōu)勢，我們沒有理由不把它做好。例如在青蒿素的合成上，目前僅通過合成生物學(xué)途徑只能到青蒿酸。上海交通大學(xué)通過合成生物學(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(jié)晶純度為65%，未來能不能做到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，那我們就沒有必要再去種青蒿來提取青蒿素了。目前，該項目正與藥企推進產(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，實現(xiàn)了從淀粉糖、纖維素糖到乳酸的高效合成，并取得了核心專利，后續(xù)可通過化學(xué)合成將乳酸轉(zhuǎn)化為生物可降解材料聚乳酸，目前正在牽手企業(yè)推動產(chǎn)業(yè)化。最近，我們還運用合成生物學(xué)方法，實現(xiàn)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，這些都將是巨大的產(chǎn)業(yè)，當(dāng)成本下降到一定程度后，人類目前面臨的白色污染問題將得到有效解決。
合成生物學(xué)與合成化學(xué)的交叉融合，將會是一個長期促進的過程。合成生物學(xué)家應(yīng)該增強對生物合成反應(yīng)機制的深層次認知，包括酶的結(jié)構(gòu)與催化功能的關(guān)系、酶的動態(tài)催化機制、生物轉(zhuǎn)化的化學(xué)原理和復(fù)雜分子的生物合成策略等；化學(xué)家應(yīng)該學(xué)習(xí)和模擬生物體系的能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機制，構(gòu)筑高效的仿生催化劑和人工酶，發(fā)展高效的仿生反應(yīng)，實現(xiàn)各種功能分子的高效、精準創(chuàng)造。與此同時，我們尤其需要通過生物合成與化學(xué)合成的融合，聚焦具有重大戰(zhàn)略價值的合成轉(zhuǎn)化和功能分子，對接醫(yī)藥、材料、能源、健康、碳中和、人工固氮等重大產(chǎn)業(yè)和社會問題，解決單一合成手段無法解決的挑戰(zhàn)性難題。
展望未來，化學(xué)合成與生物合成的交叉研究，還將加深人類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、生命進化及健康和疾病等基礎(chǔ)問題，提出創(chuàng)造性的解決方案。
作者：丁奎嶺（許琦敏根據(jù)報告整理）
編輯：許琦敏
責(zé)任編輯：任荃
來源：文匯報 合成科學(xué)，通往“物質(zhì)自由”的希望之門—新聞—科學(xué)網(wǎng) (sciencenet.cn)
