继“发现DNA双螺旋”和“人类基因组计划”两次生物科技革命之后，合成生物学被誉为“第三次生物科技革命”。“发现DNA双螺旋”和“人类基因组计划”，使人类实现了从认知生命到解读生命，合成生物学则开始推动我们跨向编写生命、创造生命。
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经过20多年的发展，多学科交融的合成生物学如今迎来爆发。据Coherent Market Insights发布数据，2022年全球合成生物学市场规模将达到139亿美元，预计2022~2030间GAGR为28.0%，其中，生物医学、新材料、农业技术、食品饮料等新兴市场有望推动市场快速增长。
以合成造万物，合成生物学正式从幕后走向台前，追逐的资本和企业也越来越多，涉足领域从化工、能源、材料、农业、医学、环境再到食品、蛋白质、提取物原料等。热度居高不下之时，我们更需要冷静追问：合成生物学应当如何发展？合成生物学具备哪些机遇与挑战？从实验室走向工厂需要跨越多少难关？……
处在合成生物学即将腾飞的风口上，我们更需要聆听来自产业界、学业界、资本界的多种声音。带着对合成生物学发展、行业痛点和创新机会的疑问，动脉网有幸采访到天津科技大学生物工程学院教授，金坤生物首席科学家乔长晟。
乔长晟，天津科技大学生物工程学院教授、博士生导师，金坤生物首席科学家，长期从事微生物发酵研究及成果转化。现担任中国生物发酵产业协会理事、全国发酵工程技术工作委员会委员、中国生物发酵产业协会功能发酵制品分会副理事长等职务。主持参与国家级、省部级科研项目十余项，发表科技论文150余篇、申请国家发明专利200余项，其中授权70余项。
医美、食品与农业，打造生物制造闭环
动脉网：合成生物学的潜力有多大？
乔长晟教授：理论上，我认为目前大概有35%的化学合成物质会被生物合成替换，也可能不止这个比例。而在实际操作中，我们需要考虑更多的问题，例如成本是否合适，工艺技术、底层技术是否能够支撑等。
相较于化学合成而言，生物合成具有许多独特的优势。一是更安全，制造过程条件温和，不涉及高温高压等极端环境，二是环境污染更少，且更容易控制或处理，三是步骤更简单，将原本繁杂的步骤简化到1-2步，更容易实现规模量产。
当然，这也不代表生物合成能够完全替代化学合成，例如化学合成制造某些二肽、三肽类产品效率更高、成本会更低。
未来合成生物学的发展前景是不可限量的，可能会涵盖我们生活的方方面面，各行业也会基于应用场景积极介入，甚至会在意想不到的领域发挥妙用。
动脉网：合成生物学将如何助力医美、食品、农业等多领域发生质变？
乔长晟教授：无论是医美、食品或农业等领域，要发生质变都离不开合成生物技术的不断发展。
上世纪90年代，我大概有十年的时间从事食品科学领域研究，后返回天津专注于研究新型生物反应过程。正是因为这个原因，我对食品领域总有一些情怀，一直也没有停止过向食品领域延伸的想法，恰好生物反应、生物发酵实际上是能够影响更多领域的。
借此出发，我们利用生物功能强化的技术向着医美、食品、环保和农业等领域不断外沿，力图打造完整的生物制造闭环。具体而言，目前金坤生物已形成规模化量产的两大产品：普鲁兰多糖和聚谷氨酸，在发酵过程中会产生菌体蛋白，也就是废弃物，过去会交由废物处理厂统一处理，而基于我们所打造的闭环体系，能够将这些废弃物处理成饲料蛋白及生物肥料，整个生物反应过程中的水也可以通过发酵工程实现循环利用。
生物功能强化，不见得是单一物质含量的增加或减少，而可能是生物发酵后某一功能的强化，再利用营养组学、代谢组学等多组学进行综合分析，开发各种功能来打造出一个闭环体系。生物强化与生物合成是相似的概念，但生物合成是明确能够合成一个具体产品，例如普鲁兰多糖或聚谷氨酸。未来，如果我们能够找到明确靶点，也会继续朝着功能强化的方向补充。
重视选品，拓展多场景使用至关重要
动脉网：我国的合成生物学发展到什么阶段了？存在什么技术难点？
乔长晟教授：表面上看来，我国合成生物学的进展与海外基本同步，但基因测序、基因编辑、基因合成三个合成生物学底层技术还是来源于国外，在基础研究层面还需要进一步加强。
目前我国合成生物学企业主要有几个方向，一是提供底层技术支持，帮助构建菌种、代谢途径及高通量筛选，这部分主要是由高校科研转化；另一部分则是产品开发，基于我国已有发酵行业基础，只要克服相当部分的难关，就能够在规模、产能上领跑全球。
在发展的过程中还存在一些待解决的问题。首先是工程化人才储备不够，工艺放大环节存在大量的试错过程，这需要大量专业性人才的支持。
更值得我们重视的是合成生物的选品。过去很长一段时间大家集中在一些共同的类目上，从PHA、PHB到赤藓糖醇，整个发酵行业产能过剩，闲置了很多的发酵罐及后续提取设备。因此在我看来，选品要考虑多方面的问题，首先是要确实把握市场脉搏，搞清楚市场需求是什么，需要哪一类型的产品；其次要充分了解国内外的市场准入法律法规，有很多高校老师开发出的产品要么没法产业化、要么不在国家目录里而缺乏安全性评价等，最后根本拿不到生产许可证；另外至关重要的是要考虑选品能否能被拓宽开发至更多场景使用，比如像金坤生物已开发并可规模化生产的普鲁兰多糖和聚谷氨酸等，实际上是可以不局限于用于医美，还可以在农业、环保等领域中应用。
金坤生物的整体业务也分为“横纵”两条线，“横”是指选品丰富，包括聚谷氨酸、普鲁兰多糖、聚苹果酸等，“纵”就是将每一个产品的应用范围做宽、做深，通过各种灵活的组合实现多样功能，覆盖更多领域。
综合来看，选品是一个非常重要的问题，既要有短平快，也要有长线发展规划，最好是长短结合去做更容易在市场中存活。
动脉网：目前合成生物学选品集中在哪些领域？
乔长晟教授：我认为主要集中在以下几个领域：医美领域，市场前景开阔，政策利好；农业领域，包括饲料、肥料、种子及农用地膜等，下一步要考虑降本增效问题；大健康领域，具有非常广阔的市场空间，可以开发具有特殊功能的食品，可以针对不同年龄段、提供特殊营养；生态环保领域，主要是土地整理项目，包括开发用于荒漠化治理、矿山修复、盐碱地修复、污染土地修复等的产品，目前金坤也朝着这个方向正在延伸；药品领域，促使化学合成的药品转变为微生物合成的过程，主要用在中药领域。
另外就集中在生产环节，利用合成生物学的办法能够生产可再生材料，来源丰富，能够有效降低成本。所以其实选品领域非常广泛。
金坤生物已有的几类产品也正在开发多领域的使用，例如聚谷氨酸在保水、增效、保湿及环保等方面都有广泛应用，目前已在玉米、小麦、草莓、金丝皇菊、韭菜等各类农产品种植中实验成功，不同产品的增收比例高达7.8%~25%，对于沙漠化土地、盐碱地改良效果显著，目前已实现数百吨销售；普鲁兰多糖已被应用在农业领域，我们正在开发一种核心原料为聚谷氨酸及普鲁兰多糖的农用地膜，可以实现在播种等环节对土地的保水、增效等功能；其他如聚苹果酸等原料我们也正在积极开发多领域的使用场景，目前项目已经启动。
动脉网：聚焦医美领域，目前主要的竞争点是什么？
乔长晟教授：医美领域最为关键的就是原料优化迭代。通过开发更多适用的、满足市场需求的原料，利用各类原料的优化组合再各自开发不同的产品。类似于中药，我们需要有原料和配方，通过组合才能得到有功效的药品。
具体来说，我们要为医美市场提供更多的解决方案，主要的途径就是对原料进行优化和打造新的功能性产品。比如，过去我们一直利用使用玻尿酸作为原料进行产品开发，未来可以找到比玻尿酸更好的原料替代，或是通过组合各类原料的方式提升已有产品的功能性，匹配市场需求，为消费者提供更多的选择。
跨越中试“死亡谷地带”：从0到1很难，从1到100也难
动脉网：目前合成生物学有哪些关键技术待突破？
乔长晟教授：应用场景的突破很重要，如果开发的产品仅能在一个场景下使用是相对局限的。市场层面上来说，火热的赛道大家蜂拥而至，要想脱颖而出就非常困难。以赤藓糖醇为例，作为代糖如果缺少各类饮品的二次开发使用就会导致产能过剩，但如果只靠其代糖的功能，赤藓糖醇不作为唯一代糖占据优势。所以我们应当在介入新领域前就做好准备，思考能不能设计或开发出新的应用场景？避开恶性竞争。
技术层面上，生产的核心是生产效率的提高。在合成生物学领域，一是能否构建足够多的菌种、能否筛选出更高效率的菌种？二是优化发酵过程，通过生产工艺过程控制提高转化力，降低成本。三则是提纯工艺，这关系到产品质量问题，例如医药级别、化妆品级别可能对纯度要求不相同。
最后必须提前考虑放大生产问题。生产规模扩大并不是简单的发酵罐规格的放大，从“克”到“千克”、再到“吨”，随着规模的扩大，发酵水平经常会下降，因此每一个步骤都需要重新摸索和优化。在生产规模扩大过程中，还要继续监测菌种的代谢情况，调整菌种的代谢通路，从菌种的生产能力、繁衍能力、对环境的耐受力等方面提高整体的发酵水平。
目前，金坤生物已经破解了放大生产的难题，为聚谷氨酸、普鲁兰多糖等多种原料搭建出千、万吨级别生产线，利用纯水提纯工艺能够实现医药级别的原料生产，预计在今年年底将释放出巨大产能，满足市场需求。
动脉网：合成生物学的科研转化要特别注意什么问题？
乔长晟教授：在合成生物学领域的科研转化中，从0~1的过程依靠科学家，从1到100则需要工程化能力的支撑。科研院所教师更专注于技术原理的研究，很难要求其拥有工程化的能力，而工程化的能力则是跨越中试“死亡谷”的关键所在，需要长期的摸索和沉淀。因此，对于科研院所教师而言，在产品开发之初就要具备很强的工程化意识，最好寻求一个具有工程化能力的团队共同合作。
动脉网：作为金坤生物的首席科学家，金坤生物未来会沿着一条怎样的技术路径迈进？
乔长晟教授：在菌株丰富性方面，金坤生物依托菌种资源库和底层技术，已经开发出聚左旋乳酸、聚谷氨酸、普鲁兰多糖、聚苹果酸、重组胶原蛋白等多种原料，并依据此打造出金坤生物医美产品管线；在产业化落地能力方面，金坤生物已建成聚谷氨酸、普鲁兰多糖等多条千、万吨级生产线，突破合成生物材料规模化瓶颈，占据优势地位。
聚焦于生物高分子材料的金坤生物，未来要以原料供应为基础，自研产品或与业内其他公司共同开发产品；同时要继续开发原料的多领域使用场景，包括医药、农业和生态等，目前我们已经与部分公司建立联系。此外，基于我们的技术，我们能够为矿山修复、盐碱地修复和荒漠化修复等生态问题提供整体解决方案，将合成生物学技术推广到更多领域，让其发挥更大效用。
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