圖①：澱粉合成單元內的糖分子與酶結構模型細節特寫。 　　黃曉丹攝（影像中國） 　　圖②：人工合成澱粉模型的化學還原、生物催化與澱粉合成單元特寫。 　　黃曉丹攝（影像中國） 　　圖③：第十七屆中國生物產業大會上，與會人員觀看展品。 　　魏 錸攝（影像中國） 　　圖④：團隊成員調試自動化實驗設備，提升實驗流程智能化。 　　天津大學供圖 　　圖⑤：元英進院士（右一）與團隊。 　　天津大學供圖

　　很久以前，人們就借助微生物或酶的本領釀酒、發面﹔如今，合成生物技術通過設計、改造基因，能夠生產出人們需要的新物質。“十五五”規劃綱要把生物制造列為未來產業之一。科學家如何按需“制造”生物？有哪些前沿探索？又有哪些未來應用值得期待？本期“院士講科普”，中國科學院院士元英進帶我們走進“生物工廠”，了解小細胞中生長出的大產業。

　　——編  者  

　　酸奶、抗生素、可降解材料，彼此各不相同，但背后卻是同一類“生產工具”——微生物或酶。很早以前，人類就已經借助微生物或酶來釀酒、發面、制醬等。但在很長時間裡，人們只是“順其自然”，憑經驗挑選、憑運氣改良。現在，科學家們正瞄准新需求，有目標地設計、改造生命系統。想要了解生物制造這一未來產業，首先要認識合成生物技術。

　　什麼是合成生物技術

　　以釀酒為例，人們從大自然中挑選酵母，給它糖和適宜溫度等條件，讓天然酵母把糖變成酒，利用的是生物的天然本領。天然酵母的本領是由其基因組中的遺傳物質決定的，這就是“種瓜得瓜，種豆得豆”的原理。

　　合成生物技術是通過對生物體遺傳物質進行設計、改造乃至全新合成，創造新性狀、新功能、新用途生物的技術，生產的是我們需要的新物質和新產品。生物的基因組攜帶的遺傳信息，是生命活動和運行的指令集。設計、合成一個基因，就是改寫指令集中的一條指令，而全基因組設計與合成，就是編寫一本全新的指令集，它是構建合成生物、集成復雜功能的重要底層技術。

　　合成生物的過程需要反復調試，背后是“設計—構建—測試—學習”的循環：先設計方案，再把DNA（脫氧核糖核酸）序列組做成功能元件裝進細胞﹔觀察其是否按預期目標運行，讓測試數據返回初始設計模型，再進入下一輪循環，不斷迭代、不斷修正編碼程序。這個過程的工作量巨大，自動化和人工智能技術賦能，為合成生物過程帶來新的“加速度”。

　　把細胞建成“微型工廠”

　　合成生物技術能做什麼？一個重要方向是讓細胞成為“微型工廠”，科研人員先確定想生產的物質，再選擇合適的底盤細胞和生物元件，設計一條代謝路線。細胞吃進原料，在酶的作用下逐步加工，最終生成目標產物。如果把生物代謝通路想成城市道路，改造細胞工廠就是開辟新路、拓寬窄路、關閉岔路，讓更多“車流”駛向目標產品。

　　合成生物技術不僅能讓細胞“生產東西”，還可讓細胞“完成任務”，形成具有感知、判斷和響應能力的功能細胞。這就好比給細胞裝上傳感器、控制器和執行器：先識別環境信號，再由基因回路判斷並作出響應。例如，可探索讓免疫細胞識別特定標志后啟動作用，或讓工程菌感知腸道信號后釋放分子。

　　依托上述技術能力，合成生物技術可用於藥物成分、營養成分、工業酶、生物材料及污染物降解等方面研究，並不斷拓展出新的應用場景。在醫藥、農業、能源、材料、環境等領域，合成生物技術能夠廣泛服務於人類生產生活日益增長的新物質需求，形成產業出口。此外，未來在極地、深海、太空等物資運輸條件受限的特殊環境，合成生物技術也可能發揮重要作用。

　　如何從設計圖走向生產線

　　從一張設計圖到一條生產線，合成生物技術要跨過的不只是“放大”這一關。在實驗室裡，科研人員可能隻培養一瓶工程細胞﹔在生產車間，要讓同一套基因回路在幾百升、幾千升甚至更大的反應器中持續工作，困難重重。溫度、酸鹼度、營養和氧氣稍有差異，就可能改變細胞的生長狀態，原本順暢的代謝通路也可能“堵車”。

　　生產出目標物質也不等於得到產品，還要把它從培養液中分離出來、提高純度，並保証不同批次質量一致。有時，細胞生產並不難，后續分離純化反而更重要。小試之后還要經過概念驗証、中試、檢驗檢測和工藝優化。中試一頭連著基因和細胞設計，一頭連著裝備、質量、成本和市場，用來發現實驗室裡看不到的問題。就像一座城市，“攤大餅”式發展並不難，難在精細化管理，生物合成規模化生產也必須集多種技術於一體，精心控制、循序漸進。

　　合成生物技術的競爭不是單個基因、菌株的競爭，而是全鏈條全體系能力的競爭。生命科學、信息科學、自動化裝備、工程放大和標准治理環環相扣，共同構成創新鏈。我國擁有完整產業體系和較強工程組織能力，同時要補齊底層原理、關鍵軟硬件、生物數據標准和工程轉化等短板。

　　不斷拓展“可設計”的邊界

　　合成生物技術的前沿探索，將不斷拓展“可設計”的邊界。

　　一條主線，是從改寫單個基因走向更大尺度的基因組設計與合成﹔另一條值得關注的探索，是從改變DNA字母走向調節基因怎樣被讀取。DNA序列好比書中的文字，表觀基因組則像書簽、索引，決定哪些章節在何時何地被打開。所謂表觀基因組編輯，是嘗試在不改變DNA序列的情況下調節基因表達﹔更大范圍的“合成表觀基因組”仍處於探索階段，能否精准寫入、能否穩定保持、能否按需擦除……這些問題還需要科研探索進一步解答。

　　DNA不隻承載生命信息，也可以成為數字信息的特殊存儲介質。科研人員把文字、圖像等數據轉成鹼基序列，經DNA合成寫入、測序讀出。天津大學團隊把經典圖片、視頻、敦煌壁畫和醫療影像編碼進DNA，並研發糾錯和序列重建方法。實驗結合理論推算表明，相關信息在25攝氏度條件下具有保存千年的潛力，在9.4攝氏度下理論上可保存兩萬年，受損DNA中的原始數據仍可恢復。2026年，團隊又通過“復合字母”和非天然鹼基，提高單位合成的信息量，並探索分子層面的防復制功能。

　　人工智能和自動化也在重塑研發方式。天津大學合成生物技術全國重點實驗室團隊開發人工智能與自動化閉環的酶改造平台，通過5周的迭代實現100多倍的活性提升。這讓酶改造由“廣撒網”走向“邊做邊學”，有望加快醫藥、食品、材料等領域所需工業酶的研發，為綠色制造提供更高效的生物催化工具。

　　從“認識生命”到“設計生命”，人類對生物大分子和基因的研究進入精准調控階段。未來產業不會憑概念自動長成，規劃終究要落到原理、工具、平台、人才和場景上。把基礎研究做扎實，把工程能力練過硬，把科技創新與產業創新深度融合落到實處，生物制造這門年輕的學問才能更好服務經濟社會高質量發展。

　　（作者為中國科學院院士、天津大學合成生物與生物制造學院院長，本報記者龔相娟採訪整理）

　　《 人民日報 》（ 2026年09月05日 06 版）