作为近年来霸屏投资圈的当红概念，合成生物制造离我们很远，也很近。
一方面，从L-丙氨酸、1,3-丙二醇等生物基化工品，到 人造肉 、医美用玻尿酸、护肤品原料角鲨烷......基于生物合成法生产的产品正在越来越频繁地走入我们的日常生活，辐射医疗健康、化工、能源、材料、食品消费、美妆护肤、农业等众多细分领域。
但这时，合成生物技术又有着天方夜谭般不真实的一面：“空气不仅可以变面条，还能变油、变葡萄糖”、“一种在市场上颇受欢迎的鱼饲料蛋白，居 然是用钢铁厂炼钢时引发的工业尾气生产出来的”......近年来，类似这样的新闻可谓雨后春笋。
生物制造如何能从现实走向超现实？2024年，随着新质生产力成为开年热词，《科创板日报》聚焦合成生物。
▌生物合成新高度：凭空造物
“如果人类某种意义上能够获得近乎无限的能源，是否可以以此凭空制造物品？”在互联网上曾有人这样问道。
“凭空造物”的思路看似天马行空，但其实其实不是高不可攀的一个梦。
近年来，合成生物学最激动人心的一项成果莫过于二氧化碳人工合成淀粉。2021年9月24日，中科院天津工业生物技术研究所宣布，成功在实验室实现二氧化碳到淀粉的人工全合成。这在国际上是第壹次，相关成果并在线发表于国际学术期刊《科学》。
相信大伙都明白，淀粉是粮食最主要的成分，也是人类最主要的食物来源。但农作物的种植通常需要比较长的周期，同时还需要使用大量土地、淡水等资源，和肥料、农药等农业生产资料。二氧化碳则是大气中的主要温室气体之一，也是存量几近无限的碳资源。
因此，如果能够不依赖作物种植，使用空气中的二氧化碳就能合成淀粉，这对于粮食安全和气候变化都会有着非常巨大的意义。
在合成生物领域，类似这样“凭空造物”的场景其实还有许多，有一些甚至已经走出了实验室。 “凭空造物”，也可以说是第叁代合成生物技术希望达到的高度。
“所谓第叁代合成生物制造技术，就是在 风能 、光能、水能等可再生能源驱动下，以CO、甲烷、CO等一碳化合物做为原料，去实现高附加值产品的生物合成。”上海光玥生物科技有限公司开创人、上海交通大学生命学院/张江高等研究院特别研究员、长聘教轨副教授倪俊告诉《科创板日报》记者，合成生物技术历经三代革新，而三代技术的核心区别就在于炼制原料的不同。
其中，第壹代技术以葡萄糖及油脂等有机碳源为原料，主要依赖玉米等粮食或甘蔗等经济作物进行生产，因此存在与人争粮的问题。第贰代技术的原料发展为非粮食类生物质，包含谷物秸秆、甘蔗渣等。
“目前在全球范围内，第壹代合成生物技术仍是主流，但积极布局二代、三代技术的企业也在慢慢增多。”倪俊告诉《科创板日报》记者。
▌吃CO的蓝藻细胞工厂
合成生物制造，有别于以往的化学制造，由于其生产过程具有清洁、高效、可再生等特点，被认为具有引领“第四次工业革命”的潜力，因此成为世界各国竞争的热点。据麦肯锡McKinsey统计，生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品，并在持续拓展界限。
在我国，生物制造同样被列为重点发展的战略性新兴产业，是提升新质生产力的重要手段之一。
2024年政府工作报告提出“积极缔造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎”，这是“生物制造”第壹次被写入政府工作报告。自2018年以来亦有相关支持政策密集出台，广东、湖北、山西、江苏、北京、上海、天津、深圳、杭州等多个省、市纷纷发布了合成生物产业发展规划。
乘着政策东风，这个产业开始迎来越来越多的参与者。毗邻上海交通大学，坐落于淡水河畔科技园一隅，上海光玥生物科技有限公司（下称“光玥生物”）正是其中的一家草创企业，也是国内为数不多的正在开发第叁代合成生物技术的企业。
以往的细胞工厂主要是改造大肠杆菌、酵母菌等，而光玥生物转而开发了基于光合微生物发展起来的光合细胞工厂（如蓝藻细胞工厂），光合细胞工厂不再使用葡萄糖作为底物，而是直接利用 太阳能 驱动CO来合成产物，这就是光玥生物的“光驱动合成生物技术”。
这样的光合细胞工厂非常适合用来合成植物天然产物。以往，人们需要植物天然化合物时，通常是经植物提取。但大多植物体内化合物的含量较低、难以大量获得，并且在提取进程中还会面临植物体内化合物结构相似、难以分离等其它困难。
但现在，“只要对蓝藻进行改造，引入不同植物的代谢途径，就相当于把蓝藻变成了‘人参’、‘葡萄’等植物，蓝藻也因此有了合成人参皂苷、白藜芦醇等天然产物的能力。”倪俊向记者介绍道。
“将排放出的二氧化碳进行回收利用，这才是合成生物学的发展方向和使命所在。”倪俊认为，而使用“蓝藻工厂”后，每生产一吨白藜芦醇，不仅可以相应缩短生产周期240倍，节约土地72750亩，还能吸收二氧化碳超过两千吨，实现了真实的绿色合成。
▌生万物：不止是天然产物
虽然这样的光合细胞工厂经改造后，就能“一键生成”想要的目标产物，但实际总会比理论更加复杂。“就好比将水流引入河道，它其实不会根据你设想的那样只流向主干道，除了干流外，还会有许多的支流。”
“细胞工厂的生产同样是如此，虽然路可以走通，但能不能达到你想要的产量，让你用较低的成本去完成生产，这些问题可能需要我们花更多的时间去解决。通过不断地调整，把蓝藻的合成效率提到更高。”倪俊对记者说，因为如果产量不够，意味着产品不具备充分的经济性，也就无法商业化落地。
目前，光玥生物主要聚焦于苯丙烷类天然产物的生产，该类植物天然产物是最主要的抗氧化、抗衰、抑菌和美白成分，涵盖千余种消费品原料。
倪俊称，对照以往的细胞工厂，用光合细胞工厂去生产天然产物会有许多优势，好比在大肠杆菌或酵母菌中很难表达植物来源的酶，但用光合自养微生物就ok。其实，现在通过光合细胞工厂获得的天然产物，有许多在产量上已经可以超过大肠酵母等工业微生物。
不过，光合细胞工厂也有力所不及的地方，好比现在还没有拥有很好的工业化生产大宗化学品的能力。而通过以往的生物合成法，包含长链二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、L-丙氨酸等在内的很多大宗化学品都已经成功实现产业化。大宗化学品通常有着更为广阔的应用市场。
就此，倪俊指出，光合细胞工厂其实不是不能生产大宗化学品，只是在现阶段，其产量及生产成本仍然够不上量产的门槛。 他表示，“利用光驱动合成生物平台合成高附加值的天然产物，一般在10g/L以内就可以量产，但合成大宗化学品，例如乳酸，基本上要做到几倍以上的量才有应用的意义”。
但随着底层技术的不断优化，尤其是随着细胞工厂快速将二氧化碳转化为产品的能力的提高，倪俊认为，这些都将不在话下。
“包含还要提高二氧化碳的固定效率，和能量（光能）的利用效率，这是光驱动合成生物技术需要处理的最底层的两个问题。只有底层垒得足够高，后续才有进一步往前推的可能。”倪俊说，光玥生物虽然在这上面做了很多工作，但仍然还有很多可以提升的空间。
例如说，光玥生物改造出了可以生产蔗糖和甘油的蓝藻，经过几年时间的努力，目前这两种物质的产量也都已经从不到1g/L提高到了10g/L以上。“如果能达到接近百克的水平，也就是在如今的条件上再提高大概两三倍，那么差不多就具备了充分的经济性。”倪俊告诉《科创板日报》记者。
这也是继开发以二氧化碳为原料的“负碳细胞工厂”之后，倪俊的另外一个梦想，那就是用更低的成本去生产甘油等通用型碳源——目前在生物合成中需求量最大的条件原料，助力合成生物产业未来更好的发展。