文|35斗
35斗在對國家重點研發(fā)計劃系列涉農專項資金和項目投入解析中，此前已針對國家重點研發(fā)計劃的設立，以及在“智能農機裝備”領域項目布局做了匯總，現(xiàn)就“合成生物學”專題繼續(xù)與大家分享，以窺見國家在合成生物學農業(yè)應用的投入計劃。
近幾年，合成生物學無論在醫(yī)療、農業(yè)、食品等領域都備受關注，從技術端到對應的產業(yè)落地，從研究項目中尋找未來產業(yè)機遇，也是35斗研究國家項目的主要原因之一。
在國家重點鼓勵的創(chuàng)新方向中，合成生物學屬于部署起步晚，發(fā)展快的專題。2018年開始啟動專題，至今累計立項項目114項，其中直接涉農項目27項，國撥經費約10億元（依據2018年公布項目經費推算）。
35斗梳理了自國家重點研發(fā)計劃設立以來，合成生物學領域所有直接涉農項目，按照農業(yè)產業(yè)鏈分析，研究產業(yè)發(fā)展機遇。
一、合成生物學：重點專項啟動晚、發(fā)展快，農業(yè)食品方向也備受寵愛
合成生物學以工程化設計理念，對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成，以獲得重構的或者非天然的“生物系統(tǒng)”，其涵蓋的研究內容大體可以分為3個層次：一是利用已知功能的天然生物模型或模塊構建成新型調控網絡并表現(xiàn)出新功能；二是采用從頭合成的方法，人工合成基因組DNA并重構生命體；第三是在前兩個研究領域得到充分發(fā)展之后，創(chuàng)建完整的全新生物系統(tǒng)乃至人工生命體。
然而，在2016年國家重點專項設立之初，立項的41項重點專項并不涉及合成生物學，但作為十三五中央財政科技計劃管理方式變革最大的計劃類型，重點研發(fā)計劃重點專項的設立從一開始即定下了與時俱進的基調：即將國家重大科學問題、新興科技、傳統(tǒng)科技逐步納入重點專項，并且在后續(xù)一系列國家政策中做了重要部署。
“合成生物學”相關政策
因此，2018年科技部按照國發(fā)〔2014〕64號文件要求，制定了國家重點研發(fā)計劃“合成生物學”重點專項實施方案。
“合成生物學”重點專項總體目標是針對人工合成生物創(chuàng)建的重大科學問題，圍繞物質轉化、生態(tài)環(huán)境保護、醫(yī)療水平提高、農業(yè)增產等重大需求，突破合成生物學的基本科學問題，構建幾個實用性的重大人工生物體系，創(chuàng)新合成生物前沿技術，為促進生物產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與經濟綠色增長等做出重大科技支撐。
作為生物技術集群的典型代表，合成生物學在指南中的重要任務有：人工基因組合成與高版本底盤細胞構建、人工元器件與基因回路、特定功能的合成生物系統(tǒng)、使能技術體系與生物安全評估等。
與其他專題不同的是，目前已立項的項目均由高校和科研院所牽頭承擔，且項目實施周期均為5年。主要由于合成生物學領域在研究周期、資金需求、基礎設施及技術等方面要求更高，而科研院所和高校一直是我國研發(fā)的絕對主力。
在涉農的27個項目（詳細見文后附件）中，人工基因組合成與高版本底盤細胞構建涉及6項，人工元器件與基因回路11項，特定功能的合成生物系統(tǒng)9項，使能技術體系與生物安全評估1項。
將涉農的項目按照研究方向對應的目標，可將項目大致分為4大類：性能增效、生物基化學品、污染防治和生物傳感器。其中性能增效和生物基化學品生產的項目為21項，約占78%。
“合成生物學”專題中不同領域涉農項目數 數據來源：公開網站，35斗整理
在性能增效方面，主要涉及農作物育種（抗逆、高產和營養(yǎng)品質）、植物/微藻固氮及光能利用等。 在生物基化學品生產方面，以生產獲取高純度、高品質為核心，圍繞植物天然產物（紫杉醇、雷公藤內酯等），功能食品（糖、糖醇、油脂等）、殺菌素、高值化學品（人造淀粉），以及新蛋白等進行立項研究。 近年來，藻類已成為合成生物學領域研究的熱點，從重點專項部署來看，主要圍繞油脂合成、污染治理、營養(yǎng)添加劑等方面。 至2021年，“合成生物學”重點專項首次涉及食品安全研究方向，本研究圍繞檢測生物傳感器，以期實現(xiàn)生物毒素、有害分子、摻假物等食品安全相關分子的檢測，并能用于現(xiàn)場測定。
合成生物農業(yè)領域研究分布圖 數據來源：公開網站，35斗整理
二、中科院、西湖大學、華南理工等頂尖科研院校，涉足合成生物農業(yè)領域研究
科研院校一直是我國研發(fā)的絕對主力，合成生物學領域更為突出。這些單位的普遍特點主要集中于以下幾個：
在研究基礎方面，科學家長期在本領域專研，獲得一系列的科研成果，成為進一步研究的基礎；在科研設施方面，我國不斷布局在科研院?！皣抑攸c實驗室”建設，擁有高精尖的技術設施，成為科學研究的有力保障；在合作交流方面，科研院校無論是國外還是國內的專家溝通、校企合作等，都走在前列，吸納優(yōu)質人才，協(xié)作共進致力于新技術的創(chuàng)新研發(fā)。
中科院、西湖大學、華南理工已立項案例項目介紹
l 2018YFA0900600“基于植物底盤的藥用植物活性成分研究及其應用”
中國科學院上海生命科學研究院，王勇教授，國家重點研發(fā)計劃項目：2018YFA0900600“基于植物底盤的藥用植物活性成分研究及其應用”項目首席科學家。王教授主要從事天然產物的合成生物學：運用合成生物學的思想和方法，開發(fā)天然的或非天然的復雜天然產物活性成分。
該項目主要研究外源基因在底盤細胞中的組裝、適配機制和細胞全局調控機制，發(fā)展植物天然產物合成的高效基因組裝和基因組編輯技術，開發(fā)植物天然產物的微生物工程細胞合成技術，并實施應用示范。
王教授團隊部分基于合成生物技術的天然產物異源合成的產品或技術已與企業(yè)簽署合作協(xié)議，正在進行產業(yè)化推廣，推動了行業(yè)技術進步。
l 2019YFA09006300“真核微藻光合元件的高效挖掘與適配重構”
西湖大學生命科學學院，李小波教授，國家重點研發(fā)計劃項目：2019YFA09006300“真核微藻光合元件的高效挖掘與適配重構”首席科學家。李教授主要對淡水和海洋藻類的能量代謝和逆境生理展開生物化學、基因組學及合成生物學研究。
藻類可以分很多種，綠藻、紅藻、硅藻、褐藻等等。該項目選擇藻類作為主要模式生物，主要研究兩種單細胞物種：一種是萊茵衣藻的淡水綠藻，是最接近陸地農作物生長模式的藻類，它的進化策略更容易應用借鑒到陸地農作物上；另一種是三角褐指藻的硅藻，是海洋中最豐富的藻類，進化出了多種獨特的細胞結構，例如葉綠體被四層膜包被，細胞壁由無機的二氧化硅組成等，具有先天的捕光優(yōu)勢。
通過研究藻類的捕光和固碳，以達到綠藻提供營養(yǎng)添加劑和生物柴油前體脂類等產品的作用，其中工程改造后的綠藻已經被用來生產藥用蛋白，將進一步應用到其他陸地農作物。
利用高通量的遺傳操作技術將硅藻中特殊的捕光天線蛋白與色素轉移到綠藻中去，以此來提高綠藻的光合作用效率，從而在一定條件下，增加綠藻的產量。同時，關于提高光合作用效率的研究最終也可以應用到陸地上的農作物上，從而提升農作物的生物總量。
l 2018YFA0901700“非細胞生物合成系統(tǒng)的構建與應用”
華南理工大學生物科學與工程學院，林影教授，國家重點研發(fā)計劃項目：2018YFA0901700“非細胞生物合成系統(tǒng)的構建與應用”首席科學家。林教授利用基因組與蛋白質組學等前沿生物技術開展微生物代謝調控與機制研究，構建高效表達外源蛋白及細胞展示體系。
該項目主要以畢赤酵母為研究對象，圍繞人工細胞與非細胞生物合成體系，開展先進綠色生物智造，用來提升人類疾病和健康監(jiān)測水平，實現(xiàn)材料、能源和產品的可持續(xù)生產，提高農業(yè)生產水平和食品質量，并對減少溫室氣體排放、減緩全球氣候變化作出重要貢獻。
林教授申請專利：一種重組畢赤酵母工程菌及其在合成萊鮑迪苷A中的應用，其中萊鮑迪苷A甜度高，是蔗糖的300倍，而且味質良好，不含任何不良余味，是一種理想的天然甜昧劑。
三、技術為基礎，產品為導向，合成生物學賦能產品應用
合成生物學的核心內容是生物元件、基因線路、基因組工程及代謝工程。
生物元件是合成生物學的基礎“零件”，常見的生物元件有：調控元件、催化元件、結構元件、操控和感應元件等。
基本線路是基因元件組成的代謝或調控通路，由啟動子、阻遏子、增強子等調節(jié)基因構成的遺傳裝置，同時也是生命體對自身生命過程控制的動態(tài)調控系統(tǒng)。
代謝工程的作用是設計改造已有的代謝途徑，常用的構建途徑有：異源表達、細胞代謝繁育的構建與調節(jié)。
基因工程的作用是從頭合成或重設計基因組，它的產生主要是由于基因組測序、基因編輯等技術的快速發(fā)展。
合成生物學：技術推動下的產業(yè)發(fā)展圖譜 數據來源：公開網站，35斗整理
生物技術的進步推動著合成生物學快速發(fā)展，顛覆性使能技術是支撐合成生物學發(fā)展的關鍵，基因合成、基因編輯、蛋白質設計、細胞設計、高通量篩選等技術的發(fā)展對合成生物學的發(fā)展有著重要的支撐和推動作用，基因測序、DNA合成以及基因組編輯技術都是其核心使能技術。
基因測序技術的進步加速了生物元件的挖掘，使得物種序列信息指數增長，加上生物信息學和系統(tǒng)生物學識別與鑒定，大量生物元件的挖掘成為可能。
基因編輯技術是對目標基因進行編輯或修飾的基因工程技術，是一種能夠定向改造基因組的強有力工具。常用的3種技術：鋅指蛋白核酸酶（ZEN）、類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）和CRISPR/Cas系統(tǒng)。其中CRISPR/Cas9系統(tǒng)通常由一系列CRISPR相關基因與CRISPR陣列組成，因其易于構建、編輯效率高等優(yōu)點，逐漸成為最廣泛的基因編輯工具。
DNA合成技術是探索生命奧秘過程中的必要工具，其中芯片合成法以高密度、集成定位等特點占據領先優(yōu)勢。
隨著合成生物學理論和技術上的不斷突破，其應用范圍也在不斷拓寬，對醫(yī)療健康、科研、化學品、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)、食品和飲料等領域產生深遠影響。
四、駕“合成生物”馬車而來的農業(yè)食品企業(yè)
根據CB Insights預測數據顯示，在全球合成生物學市場中，食品和飲料、農業(yè)領域增長速度最快，2019年-2024年年復增長率預計分別為64.6%和64.2%。
合成生物學在農業(yè)食品中涉及產業(yè)主要有：育種、生物農藥、生物肥料、生物飼料、功能食品、替代蛋白等，35斗在細胞工廠專題中系統(tǒng)總結了相關企業(yè)，并對細胞肉、人造奶頭部企業(yè)做了分析。今天針對功能食品（功能糖、糖醇）和生物肥料領域舉例分析我國企業(yè)產業(yè)發(fā)展狀況。
3.1 金禾實業(yè)——駕合成生物學加入代糖“戰(zhàn)場”，開發(fā)新代糖產品
隨著人類對健康需求的不斷重視，代糖食品成為人們追捧的新寵兒。據公開數據顯示，無糖飲料市場規(guī)模從2014年的16.6億元增至2020年的117.8億元，復合增長率達到38.69%，遠超飲料行業(yè)總體增長率。
據財聯(lián)社報道，2022年1月21日，金禾實業(yè)（002597.SZ）與弈柯萊生物科技（上海）股份有限公司（下稱“弈柯萊生物”）達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，并表示雙方將推動合成生物技術在甜味劑領域的深度應用，未來聯(lián)合開發(fā)新一代代糖產品。
在無糖飲料市場需求催化下，甜味劑行業(yè)逐漸站上風口。三元生物和保齡寶是赤蘚糖醇的主要生產商，金禾實業(yè)安賽蜜和三氯蔗糖的市占率超過60%。公司產品被廣泛應用于碳酸飲料、功能性飲料、果汁、奶茶、乳制品、肉制品、糕點面點等食品飲料中。
而弈柯萊生物已成功將合成生物學技術廣泛應用于生物醫(yī)藥、植被保護、營養(yǎng)健康、診斷試劑、環(huán)境治理、健康食品等領域，是目前國際上合成生物學產業(yè)化進展最快企業(yè)之一。
金禾實業(yè)與弈柯萊生物的合作，是合成生物學技術在食品添加劑領域逐步產業(yè)化布局的鑒證，也將促使代糖產品在甜味劑市場空間不斷擴大。
3.2 漢和生物——引領綠色防控，打造新型肥料
漢和生物（839724）致力于新型肥料的生產，在復合微生物菌應用、海藻中間體生物提取技術、復合糖醇螯合技術等領域不斷創(chuàng)新，取得顯著成果。其旗下品牌“歐神”“普羅施旺”，菌加富 、普滋菌 兩款微生物菌劑產品，獲得中國綠色食品協(xié)會頒發(fā)的綠色食品生產資料使用證明。
以研發(fā)和制造為核心驅動力的漢和生物，基于微生物、酶工程、合成生物學、分子生物學、基因編輯等新技術不斷開發(fā)綠色新型肥料產品。于2020年6月9日正式投產合成生物學車間智慧工廠。
合成生物學智慧工廠系統(tǒng) 圖源：公開網站
生產車間采用了全自動智能系統(tǒng)，可實時采集生產過程中的各項數據，運用大數據技術平臺進行生產過程分析決策，達到自動化、智能化、數字化、信息化的控制管理。至2021年底，基于合成生物學的苯丙氨酸、脯氨酸等現(xiàn)已進入試產階段，基于合成生物學技術的吲哚乙酸中試成功。
合成生物學在農業(yè)食品領域，以解決人類食品缺乏、食品質量等問題，對全球可持續(xù)發(fā)展至關重要，正大力推動一場產業(yè)革命。從探索替代原料和生產工藝，延伸到性能更好的產品開發(fā)，合成農業(yè)的產業(yè)化才剛剛到來。
參考資料：
1. 孟慶猛，合成生物學中那些不得不說的技術
2. 合成生物學產業(yè)研究：未來已來，開啟“造物”時代
3. 合成生物學加入代糖“戰(zhàn)場” 金禾實業(yè)聯(lián)合弈柯萊生物開發(fā)新代糖
4. 2020智慧工廠：漢和生物合成生物學車間投產
5. 光合作用“藻”知道 | 李小波申報國家重點研發(fā)計劃項目獲批立項
附：2018-2021年“合成生物學”重點項目涉農項目
