生物基产业是生物经济的核心组成部分，有助于我们建立一个更加创新、更加可持续并且资源利用效率更高的社会。尽管生物基产业的市场规模目前还相对较小，但最近几年其对于传统行业，特别是石油基产业所带来的冲击力与颠覆性有目共睹。目前来看，生物基产业在短期内有望成为石油基产业的有效补充，而在中长期将成为一个规模替代的解决方案。
为实现这一目标，生物基产品首先在性能上要必须满足市场需求，然后是在生产工艺上达到相当高的稳定性，最后是在成本端形成明显优势。而合成生物学，作为继DNA双螺旋结构发现和基因组测序后的第三次生物科技革命，将助力生物基产业的快速和高质量的发展，推动人类从工业革命迈向生态革命。
合成生物学可解决产业化三大痛点
合成生物学，其核心在于利用各类代谢功能元件和基因编辑工具对生物体进行改造，使其以生物质（如葡萄糖、秸秆水解液、餐厨处理产物等）作为原料，生产出人类社会所需要的各种产品。
继20世纪70年代著名遗传学家Waclaw Szybalski首次提出这一概念后，合成生物学已经得到了长足的发展。2020年，法国生物学家Emmanuelle Charpentier和美国生物学家Jennifer Doudna共享了诺贝尔化学奖，并将其发明的CRISPR基因编辑技术带到公众视野里。这一全新的基因组编辑方法，允许科学家重写几乎所有生物体的遗传基因，并且比以往的基因编辑技术都要更简单、更便宜以及更精确，进一步推动了合成生物产业向前迈进。根据麦肯锡的一项预计，超过60%的全球经济物质将可由合成生物生产获得。因此，此次生物基产业的发展也正是得益于合成生物学技术的成熟。
而合成生物学之所以可以推动生物基产业的高速发展，核心正是在于其具备解决性能满足市场需求、工艺达到高稳定性和成本形成明显优势这三个产业化过程中的重要痛点。通过合成生物学改造微生物，可以开发出具备全新性能的材料以填补未被满足的市场空间；通过在工程学角度对微生物进行优化，可以简化生物制造工艺，并通过逐级放大来提升稳定性；通过进行底物替代和缩短生产周期，可以显著降低原料和生产成本，进而形成成本优势。
微构工场作为长期致力于通过合成生物学进行多种绿色生物基产品的研发和生产的专业团队，已经率先建立起来了大规模生产一种生物可降解材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）的工艺体系。
合成生物学推动生物基产业发展实例
合成生物学在推动新一轮生物基产业发展中起到了至关重要的作用，接下来将以PHA为例进行介绍。
PHA是由微生物合成的天然高分子材料，作为微生物碳源和能源的储备物质，PHA有150多种结构，使PHA的品种繁多、材料性质多样。作为一种生物来源、生物聚合的生物基材料，PHA的全生命周期碳排放量极低，是理想的低碳材料。此外，在水中、土壤中和二者兼具的环境中，甚至在厌氧条件下，PHA都可生物降解，不会对自然环境产生任何负担。因此，PHA成为了非常理想的塑料替代品，将有助于完全解决白色污染问题并实现可持续发展。
尽管PHA性能优异，但是依然存在一些可以优化的地方。例如，现在市场上主流的PHA材料，也包括其他各类可降解材料，普遍存在着透明度不高等问题。在需要高透明性塑料的领域，如输液管、透明包装材料、食品包装等领域受到很大限制，这也造成了一个巨大的未被满足的市场。为此，微构工场团队与清华大学对于PHA的分子结构进行了系统性的研究分析，发现传统的单体或两种单体共聚得到的PHA，因其本身的结构特性导致了低透明度。而三种单体共聚得到的PHA材料，因为有三种不同结构的单体，很好地减弱了后结晶的现象，并具备很好的透明度和材料韧性。为此，我们以盐单胞菌为底盘菌，通过合成生物学进行改造，开发了二醇-PHA转化平台，成功合成了不同比例的新型PHA材料——P（53% 3HB-co-20% 4HB-co-27% 5HV），具有透明性、热稳定性和延展性，可应用在柔性可穿戴设备领域，以及众多对透明度需求高的应用场景。
在工艺方面，我们通过对底盘菌进行一系列基因编辑，赋予其更加符合工业生产的特性，进而降低工艺复杂度并提升稳定性。例如，传统的高密度发酵中需要大量的氧气供应，对空气压缩机的工艺使用形成了挑战。总重量为100克微生物需要3~5升空气/分钟，然而仅能利用空气中1%~2%的氧气。相反，一个总重量为70公斤的人，每分钟只需要1~2升空气，并且能几乎耗尽空气中的所有氧气。因此，人类的氧气利用率至少是细菌的700倍，而这一核心在于人类有血红蛋白。为此，可以从透明颤菌中克隆得到细菌的血红蛋白，并将其导入到底盘菌株中。配置了血红蛋白的底盘菌株显著提高了氧气的利用率，能更加快速生长，降低了在供氧方面工艺的复杂度。此外，针对细胞体积太小导致回收PHA产物困难的问题，我们对底盘菌株的多个细胞骨架相关基因进行了编辑，将细胞体积和所积累的PHA颗粒大小提升了数十倍，大幅降低了在下游提取方面的工艺难度。通过大量类似于上述的工作，我们的生产工艺被极大程度简化，对应的稳定性也得到了大幅提高。
在成本降低方面，我们首先通过对底盘菌株进行改造，利用廉价的非大宗农产品碳源甚至废弃碳源来进行生产。创立微构工场的清华科研团队早在2015年就研发出了可利用多种底物生产PHA的新一代嗜盐菌株。随着研发的深入，不断推陈出新的新一代菌株则可以利用不少废弃碳源进行生产，如秸秆水解液、废甘油、餐厨垃圾、糖蜜、乙酸等，在显著降低生产成本的同时实现“不与人争粮”。另外，我们也通过缩短生产周期来进一步提升单位时间的生产效率。普通细菌生长为1变2的生长，生长速度为2的N次方。如果改变底盘菌株的生长为1变3甚至1变4，那么生长速度将会变成3的N次方甚至4的N次方，大幅提升生长速度。我们对底盘菌株分裂相关的基因minCD进行了突变，实现了1变3和1变4的生长模式，显著缩短了发酵时间，降低了总体的生产成本。
在上述一系列工作的基础上，我们建立起了大规模生产PHA的体系。目前，微构工场已在北京市顺义区赵全营镇设立总部，搭建1000吨/年高端生物材料PHA的智能化示范生产线，同时在中德产业园起步区搭建中德合成生物学研发中心。同时，微构工场也与全球第二大酵母公司安琪酵母组建合资公司“微琪生物”，共同推动合成生物学技术产业化落地，在湖北宜昌启动建设3万吨/年PHA生产基地项目。此外，这一基于合成生物学工作的规模化生产能力也可以复用到其他生物基产品，包括医药中间体四氢嘧啶、尼龙56前体戊二胺等。
合成生物学在本轮生物基浪潮中起到了至关重要的作用。通过代谢功能元件和基因编辑工具，使得对微生物进行定向改造以符合大规模生产成为可能。未来，合成生物学将成为新一轮生物基产业的引擎，引领绿色低碳技术变革！