原標(biāo)題：合成生物制造引領(lǐng)第四次工業(yè)革命——中國工程院院士鄭裕國一席談

    當(dāng)瓦特手中的蒸汽機(jī)噴薄出第一縷工業(yè)文明的曙光，人類歷史的車輪便煥然新生。而今，數(shù)字化浪潮正以排山倒海之勢奔涌而來，拉開了“第四次工業(yè)革命”的帷幕。在中國工程院院士鄭裕國看來，這場變革以人工智能、生物技術(shù)等為突破點(diǎn)，其中，合成生物制造扮演著關(guān)鍵角色。合成生物制造將為精細(xì)化工行業(yè)帶來怎樣的變革，又將如何重塑工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程？近日，鄭裕國分享了自己的觀點(diǎn)。

引領(lǐng)“第四次工業(yè)革命”

    “以電力的發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，第三次工業(yè)革命以原子能、電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)明為標(biāo)志?，F(xiàn)在，第三次工業(yè)革命仍在進(jìn)行過程中，但我認(rèn)為，第四次工業(yè)革命也正在發(fā)生?！编嵲劦?，“第四次工業(yè)革命正以人工智能、新材料、分子工程、虛擬現(xiàn)實(shí)、量子信息、生物技術(shù)等為突破口，以提高資源生產(chǎn)率、減少污染排放、改變生活方式為實(shí)質(zhì)特征。”

    那么，這場革命的核心領(lǐng)域究竟在哪里？誰又將引領(lǐng)這場變革？鄭裕國將答案指向了一個(gè)交叉學(xué)科——合成生物制造。

    他闡釋道，“合成生物學(xué)”是指采用工程化設(shè)計(jì)理念，對細(xì)胞進(jìn)行定向設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，從而突破自然生命進(jìn)化規(guī)律，重塑自然生產(chǎn)線。其目標(biāo)直指物質(zhì)的高效定向合成與精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化。“合成生物制造”則是以多學(xué)科融合交叉為技術(shù)手段，改造或創(chuàng)造自然功能的生命體及生物組分，通過過程和系統(tǒng)強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的高效合成與精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，再造產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)流程，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益的未來產(chǎn)業(yè)。

    鄭裕國說：“尤其是在醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品等精細(xì)化工領(lǐng)域，合成生物制造正催生新產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)建新模式、建立新動(dòng)能，推動(dòng)這些工業(yè)領(lǐng)域向綠色低碳、無毒低毒、可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型。這不僅是技術(shù)路線的革新，更是一場生產(chǎn)關(guān)系的革命?！?/span>

工業(yè)制造的綠色選項(xiàng)

    盡管合成生物制造是未來產(chǎn)業(yè)，鄭裕國表示，它已經(jīng)在為精細(xì)化工行業(yè)帶來變革。

    據(jù)鄭裕國介紹，與石化路線相比，合成生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排30%～50%，未來潛力將達(dá)到50%～70%。他以工業(yè)催化劑為例作進(jìn)一步說明。在醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品、染料、化工等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，全球至少有4.2萬種原料和化學(xué)中間體是依賴催化劑直接或間接合成的。其中，許多貴金屬和非貴金屬催化劑來自礦產(chǎn)，屬于不可再生資源，且開采成本高。“我們可以利用廉價(jià)的、可再生的活性蛋白質(zhì)作為生物催化劑替代化學(xué)催化劑，讓生物轉(zhuǎn)化替代化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，既實(shí)現(xiàn)催化劑原料的替代，又實(shí)現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn)。”鄭裕國說。

    這一替代技術(shù)已得到工程化驗(yàn)證?！白畛晒Φ囊粋€(gè)例子就是丙烯腈通過腈水合酶生成丙烯酰胺。20世紀(jì)80年代，沈寅初院士獲得腈水合酶微生物菌種，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)第一套工業(yè)化裝置就建在東營?！彼f，“腈水合酶替代原來的銅催化劑，降低了反應(yīng)溫度，促成丙烯酰胺的大規(guī)模生產(chǎn)，繼而生產(chǎn)聚丙烯酰胺，用于水處理、石油開采等多個(gè)行業(yè)。”

    在此過程中，生物制造將化工行業(yè)從高度依賴化石原料和高污染、高排放的模式，升級為綠色、低碳、循環(huán)可持續(xù)發(fā)展。從資源分子向功能分子的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，更大程度地發(fā)揮了原子經(jīng)濟(jì)性。

前景廣闊的藍(lán)海市場

    鄭裕國指出，合成生物制造正在成為先進(jìn)制造業(yè)的核心構(gòu)成，是新發(fā)展格局中的重要產(chǎn)業(yè)板塊。2023年，以合成生物學(xué)技術(shù)引領(lǐng)的市場規(guī)模達(dá)170億美元，年復(fù)合增長率為28.8%。據(jù)預(yù)測，到本世紀(jì)末，生物制造有望創(chuàng)造數(shù)十萬億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

    具體而言，鄭裕國闡述了2種物質(zhì)生產(chǎn)新模式：一是構(gòu)建高效微生物細(xì)胞工廠。采用工程化、智能化設(shè)計(jì)理念，對細(xì)胞進(jìn)行定向設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的綠色高效合成，對原料、過程進(jìn)行全替代。二是構(gòu)建高效產(chǎn)酶細(xì)胞。利用酶或含酶生物細(xì)胞作為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，用于重構(gòu)、替代與強(qiáng)化化學(xué)品的生產(chǎn)過程。

    理論優(yōu)勢如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)實(shí)踐？L-蛋氨酸的生物合成路線提供了典范答案。作為生物體必需氨基酸中唯一的含硫氨基酸，其在食品、醫(yī)藥、飼料等領(lǐng)域需求激增。2023年全球L-蛋氨酸市場需求約170萬噸，約330億元，產(chǎn)業(yè)已步入市場黃金期，卻也面臨著來自生產(chǎn)技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)。鄭裕國團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)“發(fā)酵—酶法制備L-蛋氨酸合成路線”，通過合成生物學(xué)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建L-蛋氨酸前體細(xì)胞工廠，耦聯(lián)高產(chǎn)巰基轉(zhuǎn)移產(chǎn)酶細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)L-蛋氨酸的高效生產(chǎn)，是目前最可行的生物合成路線。據(jù)悉，該路線可以實(shí)現(xiàn)前體（OSH）穩(wěn)定生產(chǎn)，達(dá)到產(chǎn)量140 g/L以上，糖酸轉(zhuǎn)化率80%以上，處于國際領(lǐng)先水平。團(tuán)隊(duì)還以合成生物制造推動(dòng)糖尿病治療藥、心腦血管疾病治療藥、神經(jīng)退行性疾病治療藥、抗感染藥等的發(fā)展。

    這些成功示范正在引發(fā)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的變革。依托鄭裕國團(tuán)隊(duì)技術(shù)，江蘇利民股份打造出全球首條萬噸級氣相合成－多酶催化生產(chǎn)高光學(xué)純L-草銨膦生產(chǎn)線；浙江樂普藥業(yè)建成我國首條阿托伐他汀鈣化學(xué)-酶法合成生產(chǎn)線；氨基酸、特種維生素、功能性糖和糖醇實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)……依托院士專家工作站、浙工大—企業(yè)共創(chuàng)研究中心、政校企共建的地方研究院、項(xiàng)目合作開發(fā)、成果轉(zhuǎn)化等“政產(chǎn)學(xué)研”合作模式，將實(shí)驗(yàn)室成果推向產(chǎn)業(yè)化，支撐了“長三角合成生物制造大走廊”的發(fā)展，2024年度，大走廊實(shí)現(xiàn)總營收達(dá)近千億，且規(guī)模還在持續(xù)擴(kuò)大，影響力向全國延伸。

    “合成生物制造正在改變著物質(zhì)的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)原料、制造過程、產(chǎn)品性質(zhì)的重大革新。通過建立低污染、低能耗、高原子經(jīng)濟(jì)性的產(chǎn)品生產(chǎn)路線，降低碳排放、提高生產(chǎn)效率，這項(xiàng)技術(shù)將引領(lǐng)工業(yè)制造新的產(chǎn)業(yè)革命。”鄭裕國展望道，“合成生物制造引領(lǐng)形成的新型工業(yè)體系正加速形成新質(zhì)生產(chǎn)力，必將支撐國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展?！?/span>