合成生物学与我的诺奖梦

作者：王江云

2013年04月01日 来源：光明日报  

　　未来生物工厂模型——外壳由一层自养、产氢、固氮、固定二氧化碳的藻类生物构成。中层进一步将藻类生物生产的原料处理为人类生产生活需要的原材料及生物燃料并加以储存。内层是藻产生的氢气，使得生物工厂漂浮在空中，可根据日照条件改变高度及位置。

资料图片

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　　“我有一个梦想，如果中国的化学家和生物学家能够把握合成生物学的未来科技革命趋势，为实现人与自然和谐共存的崇高目标而努力，不远的将来，就有可能在中国本土培养出诺贝尔奖获得者，就有可能建立起一个化学与生物的前沿交叉学科，这个学科，将开辟知识与财富可持续增长的新纪元，占据生物科技发展的战略制高点，领跑在生命科学的最前沿。”

　　20世纪是化学工业发展的黄金时代，化学肥料、高分子材料等化工产品的发明，极大地提高了人们的生活质量；化学家也成为诺贝尔奖的宠儿，其研究成果为人类作出的贡献得到了全世界的认可。然而，化学工业带来的污染和破坏也在毁灭着我们的生存家园。科学家们开始将目光转向了新兴的合成生物学方法，将新的化学反应引入生物细胞中，打造具有各种特殊功能的生物工厂。

　　由此，我们可以展望，一门新兴的交叉学科——合成生物学，将针对人类面临的资源、能源和环境等重大问题，提供新的解决方案，从根本上变革人类的生产和生活方式；在这一领域获得重大成就的科学家，或许将成为未来诺贝尔奖的有力竞争者。

　　21世纪的生物工业：必将超越20世纪的化学工业

　　化学工业能耗大、排放多，对生态环境造成了非常严重的污染，包括空气污染、海洋污染和土壤污染。这些问题为发展新化学反应提供了重要契机。

　　20世纪初，物理化学家哈伯以铁催化氮气转化为氨的反应，发明了合成氨催化剂，他因此获得了1918年诺贝尔化学奖。这一发明，使现代化工厂每年制造约5亿吨化肥，从而大大提高了农作物的产能。合成氨催化剂的发明，不仅启动了现代化学工业的发展，也宣告了现代农业的到来。2007年，诺贝尔化学奖授予了另外一位物理化学家埃特尔，他进一步解析了表面化学催化的原理，其中就包括怎样将氮气转化成氨。埃特尔的研究具有十分重要的经济意义。

　　合成化学领域的另一项有代表意义的重大突破，是高分子材料的发明。美观耐用的合成纤维、性能优越的合成橡胶、物美价廉的塑料，都属于高分子合成材料。高分子化学的奠基人施陶丁格（1953年），齐格勒、纳塔（1963年）均获得了诺贝尔化学奖。2001年—2010年这短短的十年中，诺贝尔化学奖先后三次奖励了三位非常著名的有机化学家。20世纪的化学家们发现了大量新反应及其机理，使得化学工厂能够以较高的效率，合成出各种药物以及生产生活的必需品，这些材料构成了人类物质文明的基础。

　　随着合成化学技术的迅猛发展，人类怀着人定胜天的信念，创造了大量的物质财富。这些巨大的成就曾一度使人们相信，人类可以无限制地向自然索取，可以任意驱使自然力为人类服务。而实际上，人与自然界之间却存在着微妙的平衡。当人类不恰当地运用科学技术的力量，向自然界索取和征服时，就像是理性不足的孩童掌握了破坏力巨大的武器，对人、对自然都产生了极大的伤害，终将得到自然界的报复和惩罚。

　　尽管化学家和化学工业对人类的发展作出了重大贡献，但目前化学工业能耗大、排放多，对生态环境造成了非常严重的污染，包括空气污染、海洋污染和土壤污染。这些问题，对科学家提出了重大挑战，同时也为发展新化学反应提供了重要契机。在这样的背景下，生物工厂的发展，将为化学工厂的改进和升级提供强大的推动力。

　　生物学：从“分析时代”跨到“合成时代”

　　20世纪，人类经历了化学工业的迅猛发展；21世纪将实现从生物学的“分析时代”到“合成时代”的跨越。

　　长期以来，化学工业的发展，很少关注生态平衡问题、环境问题和资源问题。在我国人口密集、人均资源有限的前提下，人与自然的矛盾显得尤为尖锐。令人欣慰的是，当代科学家们已经意识到，人类是自然界的一部分，需要与自然界休戚与共，共存共荣，实现人与自然的和谐发展。现代生物工厂，正像20世纪初的化学工厂一样，将通过一系列新反应的发明和优化，迎来重大的发展契机。

　　随着基因组的解析和许多代谢通路的阐明，合成生物学家已经可以在活细胞里设计优化许多重要的化学反应。例如：可以在微生物中高效生产青蒿素、紫杉醇等重要药物的前体、丁醇等生物燃料和可降解高分子材料等。由于生物体具有自养、自组装、自修复、可降解等特性，我们可以显著提高合成效率、降低成本和污染。另外，合成生物学家可以利用生物快速进化的能力，以及生物酶的高催化活性、特异性，迅速地在活细胞中设计和优化化学反应。

　　新的催化剂和新的化学反应被发现的速度，将远远高于利用传统的化学方法发现催化剂和新化学反应的速度。20世纪，人类经历了化学工业的迅猛发展；21世纪将实现从生物学的“分析时代”到“合成时代”的跨越。在此过程中，科学家将发展合成生物学的理论与方法，采用工程模块化设计，改造和优化现有自然生物体系，从头创建可控合成、具有功能的人工生物体系，为人类面临的资源、能源和环保等重大问题提供新的解决方案，从根本上变革人类的生产和生活方式，逐渐减少对石油能源的依赖，以纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等农业生物质为原料，生产能源、材料、化工产品等。

　　合成生物学：领跑生命科学最前沿

　　合成生物学指明了一条提高未来生物及化学工业竞争力，降低能耗和污染的新路。

　　我有一个梦想，20年之后的生物工厂，它的能量来源于太阳光，原料来自空气，不排放二氧化碳，不制造污染，可以生产人类社会必需的多数物质原料、可降解材料、药物和能源，这将是21世纪的重要科技革命。我们将在活细胞中发展一系列新反应，为未来生物工厂的建造提供强大推动力。

　　如果这个梦想能够实现，我们中国的能源将实现自给自足，摆脱目前需要大量进口国外原油和天然气的现状，能源安全不再轻易受到国际形势的影响；我们将普遍地用上清洁能源，气体污染物大大减少，北京的天空将不再阴霾，而我们呼吸的空气，都将像泰国普吉岛的空气一样纯净；天然化学品与有机化工原料将摆脱对天然资源的依赖，为促进可持续经济体系的形成与发展奠定科学基础；我们使用的多数材料，如塑料袋、各种电子产品外壳、汽车轮胎等，都可以用特殊的微生物降解，我们的城市周边，将不再有大量的垃圾场；我们日常使用的药物，都可以直接在绿藻或植物中表达，药物不需要纯化，可直接服用，从而大大降低药品成本。

　　我有一个梦想，如果中国的化学家和生物学家能够把握合成生物学的未来科技革命趋势，为实现人与自然和谐共存的崇高目标而努力，不远的将来，就有可能在中国本土培养出诺贝尔奖获得者，就有可能建立起一个化学与生物的前沿交叉学科，这个学科，将开辟知识与财富可持续增长的新纪元，占据生物科技发展的战略制高点，领跑在生命科学的最前沿。

　　合成生物学已经引起全球科技界与社会各层面的高度关注，欧美发达国家正在向该领域投入巨额研究经费。我国合成生物学工作起步与国际相差大约5—10年。近年来，我国科学家积极参与国际合作与竞争，获得了较快的发展及一系列重要成果，为天然化学品与有机化工原料摆脱天然资源的依赖，促进可持续经济体系的形成与发展奠定了科学基础。

　　合成生物学还将在更多的领域引领科技革命，例如：以候鸟为代表的众多生物，都拥有着感应磁场的神奇本能，它们与生俱来地懂得利用磁场力定向。科学家将设计一种磁性生物，专门吸收、富集并降解土壤及水系中的重金属、持久污染物等有害物质，然后通过磁铁吸附对有害物质实现简单的收集和处理。

　　科学家将利用烟草、木薯等容易种植、产量高的植物作为生物工厂，实现青蒿素、紫杉醇等重要药物的高效生产。如果实现利用可食用的植物作为反应器生产小分子及蛋白质药物，将促进中医和西医的真正全面结合，引发人口健康领域新的革命。同等重要的是，由于利用这种方法生产出来的药物可以直接食用而无需分离纯化，将大大降低药品的成本。

　　中国的纳米化学家已经实现了纳米材料设计的重要突破。科学家反过来将这些原理用于设计新的抗旱植物，使其具有超强的吸水、保水能力。普通的植物在极干旱的条件下无法生长，如果这种新型的植物能在沙漠地区大量生长，将有可能对我们国家沙漠盐碱地的治理起到重要贡献。

　　能源、人口健康、重大工程等领域对可降解、环境友好材料的需求将持续增长，这些先进材料中的一部分将能够用生物工厂制造。同时生物工厂的设计与数字化制造结合，将产生极大的经济影响。

　　（作者简介：王江云，毕业于中国科学技术大学少年班，2007年获中国科学院百人计划资助到中国科学院生物物理研究所工作，任研究员、博士生导师，组建了以研究生物物理化学、合成生物学及化学生物学为主要方向的课题组。课题组于2012年在四年一度的国际评估中被评为优秀，已有多名研究生获得国家奖学金、光华奖学金等。）