随着"綠色發展"理念的不斷深入，"綠色生物制造"逐漸成為下一代制造業轉型的主要方向。
合成生物學技術帶來了更高效的生物制造過程，産品包括氨基酸，抗生素，聚合物材料，可再生化學品，高價值天然産品，醫藥中間體等，幾乎涵蓋了日常生活的方方面面。
通過挖掘遺傳成分，優化基因系和修飾底盤細胞，合成生物學家可以"自下而上"，功能導向，合成工程微生物，并不斷修改它們以獲得更精簡的發酵途徑和更高産的"細胞工廠"。
"我一直從事微生物育種和發酵研究，合成産品是天然微生物合成的，而且采用傳統育種技術盲目太大，很難選擇高産菌株。為此，我想知道現代基因工程技術是否可以用來使微生物合成以前無法合成的産品。然後優化路徑以提高其産量？中山大學生命科學學院合成生物學研究所所長、中山大學生物制藥中心副主任劉建忠教授在接受盛輝SynBio采訪時表示。
照片提供：劉建忠（來源：受訪人）
劉建忠是我國最早開始研究合成生物學的學者之一，早在2006年他的團隊就嘗試将外源基因簇引入大腸杆菌中，并産生了輔酶Q10、番茄紅素、β-胡蘿蔔素、玉米黃質、蝦青素等物質。
目前，劉建忠的主要研究方向是高價值天然産物，主要包括兩大類：一類是具有強抗氧化、抗菌等活性芳香族化合物，另一類是類胡蘿蔔素。
< h1級"pgc-h-right-arrow"資料跟蹤""15">合成生物學智能育種</h1>
在合成生物學育種技術發展成熟之前，傳統育種技術似乎有很大的"運氣"成分，無論是自然選擇還是誘變育種，由此産生的物種都有可能進化或退化，效率較低，雜交育種可以積累優勢突變，但其操作複雜，是以無法大規模應用。
劉建中教授提到的上述問題，現在是合成生物學的應用思想之一。在掌握底盤細胞基因組資訊的基礎上，對相應的基因簇進行調整，與單點基因編輯不同，合成生物學的基因編輯技術往往是增加、添加、删除和減少一個基因系，甚至引入外部來源的基因簇，進而調整或賦予底盤細胞的某些功能它們所不具備的功能。
（資料來源：細胞）
合成生物學帶來了比傳統微生物育種方法更智能的育種。
截至目前，劉建中的團隊已經建立了幾個國際領先的微生物細胞工廠，利用微生物分子育種技術，結合代謝工程、合成生物學和系統生物學，生産萜烯和芳香化合物。
細胞工廠是合成生物發酵技術的最終形式，主體是工程微生物的轉化。工業電池工廠強調轉化率、生産率和産量等名額，是以圍繞底盤電池的優化研究也是行業關注的焦點。
< h1級"pgc-h-right-arrow"資料軌道""73">提高底盤單元的能量使用率</h1>
底盤細胞的轉化涉及許多方面，如減少非必需基因的表達，減少内源性細胞消耗，降低産物對細胞的毒性等。
4月，Liu的團隊在《生物燃料生物技術》上發表了一篇文章，通過設計和修改底盤電池來提高細胞能量使用率，即生物合成過程中的ATP和NADPH使用率，最終提高了目标産品的産量。
細胞中的生物合成反應不能脫離COEN因子（如ATP和NADPH）的參與，并且在底物足夠的情況下，ATP等成為生物反應的限速步驟。
本研究的目标産物是4-羟基苯乙酸（4HPAA），一種有價值的天然芳香族化合物。在底盤細胞中，1 mol 4HPAA的合成需要2 mol ATP和1 mol NADPH的參與來研究ATP和NADPH，旨在減少其他生物反應的消耗，同時專注于4HPAA生産中的主要反應。
為此，該研究使用CRISPR幹擾技術來沉默80個NADPH消耗量和400個ATP消耗基因，并篩選不影響細胞存活并增加4HPAA産生的基因。然後可以敲除這些基因以進一步提高産量，但缺乏某些必需基因可能導緻細胞營養不良。
是以，該研究引入了群傳感系統，使必需基因的表達随細胞數而逐漸下降，最後經過這一系列修飾，4HPAA收率高達28.57g/L，收率27.64%（mol/mol），均高于文獻中最高報道值。
這一系列方法在文章中被命名為CECRiS（基于CRISPR篩選的輔因子）。
"這種方法也可用于其他高附加值的産品合成，因為大多數生物合成過程消耗ATP和NADPH并且需要酶參與，是以可以通過這種過程進行優化，這更通用。劉補充說。
劉還透露，在他最新的研究中，通過使用無細胞系統合成4HPAA，産量可以翻倍。
他解釋說，"無細胞合成生物學是近年來發展起來的一種合成生物學技術，針對高毒性、外部途徑不适、傳質限制、副産物競争途徑等産品的存在，利用活細胞産量低，無法實作産業化，利用無細胞合成可以避免活細胞合成的上述缺陷， 可能是一條更好的合成路徑。"
<H1級"pgc-h-right-arrow"資料跟蹤""74">需要政策推動工業化</h1>
去年，劉建忠成為國家重點研發計劃合成生物學專項"魯棒性人工基因組分的設計原理與應用"題4（健壯人工基因組分的整合與應用）負責人。
劉說，合成生物學的目标之一是标準化和子產品化無線電等生物元件，使它們更容易被任何人通路和通路。這一重點是建立健壯的微生物細胞工廠，使細胞攜帶合成的生物成分，裝置在大規模工業生産過程中能發揮穩定的作用。
照片：細胞工廠（來源：自然）
劉建中認為，在目前"綠色生物制造"的需求下，散裝API和散裝化學品的生物制造路線是一個相對容易轉化的應用領域，是以一些省級項目也主要圍繞這兩個行業進行設計。
"在國家重點研發項目和各級政府研究項目的支援下，一些學者已經建成了可以産業化的微生物細胞工廠，我的研究成果目前正在與企業進行産業化研發。
同時，他還指出，"國内合成生物學取得了顯著成效，特别是在'知識創造'方面，其中一些已經處于國際領先地位。但在"創造與利用"方面，特别是在工業化和歐美發達國家方面還存在較大差距。"
"在食品和食品添加劑方面，國内沒有允許生産許可證的法規，進而限制了它們的工業化。現在越來越多的微生物菌株被合成生物學建構，隻有解決這些問題，該技術才能盡快應用于實際生産。"
"好消息是，該領域的人們已經意識到了這個問題，并且正在向前邁進，但這需要一些時間。