（原標(biāo)題：產(chǎn)業(yè)最前線丨人工合成糖取得新突破 合成生物市場先機(jī)提前到來？）

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所成功構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多種己糖從頭精準(zhǔn)合成，解決了糖分子立體結(jié)構(gòu)可控的難題，為擺脫自然合成途徑、利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的糖世界提供了可能。研究成果于8月16日選擇在國內(nèi)頂尖刊物《Science Bulletin（科學(xué)通報）》發(fā)表。

近兩年，該所在合成生物領(lǐng)域取得了連續(xù)突破。2021年9月，該所還在國際上首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的全人工合成。

2022年5月，國家發(fā)展改革委印發(fā)了《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確將生物制造作為生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，而合成生物學(xué)被稱為生物經(jīng)濟(jì)的新引擎，近些年持續(xù)受到資本市場的關(guān)注。

(相關(guān)資料圖)

二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成技術(shù)有哪些應(yīng)用前景？未來產(chǎn)業(yè)化路徑如何？合成生物投資賽道現(xiàn)狀如何？8月21日，21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者聯(lián)系了中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所以及行業(yè)專家、投資人等做行業(yè)前瞻。

二氧化碳“變身”糖

糖是人類生命活動及日常生活中的重要物質(zhì),也是當(dāng)今工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料。己糖是在自然界廣泛分布、與機(jī)體營養(yǎng)代謝最為密切的糖的統(tǒng)稱。迄今為止，人類對糖的獲取主要依賴于植物類生物質(zhì)資源。

然而，這種傳統(tǒng)的“二氧化碳-生物質(zhì)資源-糖”的加工過程，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制；最重要的是，由于土地退化和短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、全球變暖導(dǎo)致的極端天氣和自然災(zāi)害，依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著原料供應(yīng)安全和風(fēng)險等問題。

為解決這一系列問題，需要將這種傳統(tǒng)制糖過程向非糖類生物質(zhì)資源制造模式轉(zhuǎn)變。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所開發(fā)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準(zhǔn)合成糖技術(shù)，基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)，與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊合作，設(shè)計構(gòu)建化學(xué)-酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑，工程化設(shè)計改造酶蛋白分子的催化特性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖，其碳轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)植物光合作用，同時高于已報道的化學(xué)法制糖以及電化學(xué)-生物學(xué)耦聯(lián)的人工制糖方法，是目前人工制糖路線中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。與此同時，建立了可進(jìn)一步延伸糖產(chǎn)物種類和構(gòu)型的生物系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)人工創(chuàng)造糖分子多樣性。

國際著名有機(jī)化學(xué)家，生物催化領(lǐng)域?qū)＜遥聡茖W(xué)院院士Manfred T.Reetz（曼弗雷德·雷茨）就本成果評價稱，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物是一個特別有趣的想法，也是非常具有挑戰(zhàn)的。成果在這一競爭性研究領(lǐng)域取得了真正突破，提供了一種靈活性、多功能性和高效性糖合成路線，為綠色化學(xué)打開了一扇門。

產(chǎn)業(yè)化之路有多遠(yuǎn)？

將二氧化碳作為工業(yè)原料，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、石化產(chǎn)品的生物合成，被認(rèn)為具有廣闊前景。

以中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的探索為例，該所提供的資料顯示，該研究成果是在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上的一個重大突破，顛覆了依賴糖生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復(fù)雜糖分子的范式，提供了一種靈活的、可拓展的糖制造模式，可獲得自然界含量稀少的功能糖分子，從而拓展應(yīng)用范圍。

所獲得糖可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，還可作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學(xué)品，進(jìn)一步滿足人類的其他物質(zhì)需求，從而為負(fù)碳物質(zhì)合成提供原料供給。

未來科研團(tuán)隊通過該技術(shù)還能夠進(jìn)一步合成寡糖、糖苷或糖醇等化合物，獲得自然界含量稀少甚至不存在的糖分子，作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和生物制造等領(lǐng)域。

21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者采訪獲悉，對于產(chǎn)業(yè)化路徑，目前該研究還在實(shí)驗(yàn)階段，研究成果實(shí)現(xiàn)了人工精準(zhǔn)合成己糖技術(shù)路線突破，但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長的路要走，仍需要解決相關(guān)科學(xué)與工程技術(shù)問題。

九合創(chuàng)投創(chuàng)始人王嘯對21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者表示，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)從非生物質(zhì)原料高效合成糖產(chǎn)品，減少對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)資源的依賴，具有原料來源可持續(xù)性優(yōu)勢。例如，以木薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)糖所面臨的問題是：木薯中淀粉轉(zhuǎn)化成糖的效率較低；木薯種植需占用大量土地資源，擴(kuò)大規(guī)模種植會排擠糧食作物，影響糧食安全。

可精準(zhǔn)控制糖的立體結(jié)構(gòu)，獲得自然界不存在或含量稀少的特殊糖分子，并且進(jìn)一步合成糖苷、糖醇等高價值化合物，服務(wù)于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，拓寬糖的應(yīng)用范圍；可與其他生物過程耦合，實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到更復(fù)雜有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，有助于實(shí)現(xiàn)碳的高值利用，為全球控碳減碳提供新思路和新方法。

王嘯還表示，目前全球的碳封存計劃主要以森林種植和地質(zhì)封存為主，如果利用該項(xiàng)新技術(shù)，將二氧化碳變廢為寶，無疑會對全球的碳中和運(yùn)動產(chǎn)生積極影響。

綠洲資本董事總經(jīng)理Ivy對21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者表示，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所之前已經(jīng)在全球率先實(shí)現(xiàn)了“二氧化碳人工合成淀粉”和“二氧化碳合成PHB”的實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)西湖大學(xué)等其他科研院所也在探索“二氧化碳合成有機(jī)酸”等科研方向。此次“從二氧化碳到己糖的精準(zhǔn)全合成”進(jìn)一步證明了天工所為代表的科研院所在生物固碳科研上的領(lǐng)先地位。

Ivy介紹，自然界中普遍存在的通過光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖類物質(zhì)的途徑能源轉(zhuǎn)換效率較低，且受各種干擾因素影響較大。催化反應(yīng)能夠極大地提高轉(zhuǎn)化，穩(wěn)定高效的生產(chǎn)各類己糖。己糖本身在下游醫(yī)療、食品、工業(yè)領(lǐng)域有較多應(yīng)用場景，也可以作為原材料生產(chǎn)其他的生物發(fā)酵產(chǎn)品。這項(xiàng)技術(shù)如果能夠低成本地大規(guī)模普及，可以助力生物制造領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和2023年5月份在中關(guān)村論壇透露了二氧化碳人工合成淀粉項(xiàng)目的進(jìn)展。馬延和說，現(xiàn)在的主要任務(wù)就是要解決這條途徑的經(jīng)濟(jì)可行性問題，已建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級中試裝置，目前正在進(jìn)行測試，在理論、技術(shù)和工程上同步推進(jìn)。

北京大學(xué)首都發(fā)展研究院副院長、北京大學(xué)深圳研究院碳中和研究中心副主任蔡滿堂對21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者表示，上述研究是科研領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破。但從產(chǎn)業(yè)化角度來說，距離市場還有一定距離，產(chǎn)業(yè)化會充分考慮效率和成本的問題。過去十多年，合成生物領(lǐng)域是一個比較熱門的賽道，是面向未來的產(chǎn)業(yè)，也就意味著投資周期比較長。

對于合成生物領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化突破，王嘯表示，破局關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)高效率的量產(chǎn)。首先要克服技術(shù)障礙，進(jìn)一步優(yōu)化和放大工藝，提升工藝穩(wěn)定性與產(chǎn)率。如何在大規(guī)模生產(chǎn)中保持酶的高效有效催化，是合成生物學(xué)普遍面臨的難題。此外要提供有競爭力的價格。精密控制增加了對設(shè)備和工藝要求，提高了成本，未來在量產(chǎn)過程中如何降低單位成本，是能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

Ivy提到，對一般的合成生物學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，放大過程中的工藝改進(jìn)是一個偏經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動的工程性工作。產(chǎn)業(yè)化過程面臨的挑戰(zhàn)，一是從實(shí)驗(yàn)室到放大的工藝探索，是不是能穩(wěn)定地量產(chǎn)；二是能不能把成本真的降下來，讓產(chǎn)品有市場競爭力，科研團(tuán)隊有時候和商業(yè)側(cè)的關(guān)注角度不同。

合成生物產(chǎn)業(yè)前景如何？

2022年，國家發(fā)改委印發(fā)第一個生物經(jīng)濟(jì)五年規(guī)劃——《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》。其中提出了生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段目標(biāo)，明確將生物制造作為生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

根據(jù)麥肯錫分析，生物制造的產(chǎn)品可以覆蓋60％化學(xué)制造的產(chǎn)品，未來生物制造的方式有望對未來醫(yī)藥、化工、食品、能源、材料、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)帶來巨大影響，合成生物學(xué)相關(guān)市場未來將達(dá)到4萬億美元的市場規(guī)模，預(yù)計到2025年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟(jì)影響將達(dá)到1000億美元。

業(yè)界寄希望于生物經(jīng)濟(jì)能夠成為我國繼數(shù)字經(jīng)濟(jì)之后的第二個新的經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)，而合成生物學(xué)被稱為生物經(jīng)濟(jì)的新引擎。公開報道顯示，2021年全年合成生物學(xué)領(lǐng)域融資超過了前十年，一批合成生物領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)進(jìn)入市場。

蔡滿堂表示，合成生物是生物制造的基礎(chǔ)技術(shù)，過去十多年，合成生物領(lǐng)域是一個比較熱門的賽道，是面向未來的產(chǎn)業(yè)，也就意味著投資周期比較長，需要解決產(chǎn)業(yè)化的問題。蔡滿堂比較看好大宗化學(xué)品領(lǐng)域的生物制造，因?yàn)槭袌鲆?guī)模比較大，產(chǎn)業(yè)化路徑也更短一些，從投入到產(chǎn)出的效率更高一些。

九合創(chuàng)投于2021年投資的態(tài)創(chuàng)生物是全球首批實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)量產(chǎn)的合成生物制造平臺，已完成了從研發(fā)到生產(chǎn)全鏈路的技術(shù)覆蓋。王嘯表示，目前中國合成生物領(lǐng)域投資人更深入各家公司的技術(shù)細(xì)節(jié)，關(guān)注目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率和品質(zhì)究竟如何、將替代或創(chuàng)造哪部分需求、市場占有率能達(dá)到多少等。合成生物公司要具備建廠量產(chǎn)和商業(yè)化的能力，才能跨越從分子細(xì)胞工廠到規(guī)模化量產(chǎn)的鴻溝。

Ivy表示，行業(yè)端，工業(yè)生產(chǎn)制造、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、生物醫(yī)藥等都是合成生物學(xué)能直接應(yīng)用的下游場景。受近兩年疫情影響，發(fā)展速度因研發(fā)、實(shí)驗(yàn)室及工廠建設(shè)進(jìn)度不如預(yù)期等等相對放緩。但頭部企業(yè)還是保持了高速增長。綠洲投資的一兮生物等創(chuàng)業(yè)企業(yè)也進(jìn)展順利，并完成了新一輪的融資。合成生物最后還是落腳到生物制造端，行業(yè)中的企業(yè)也都在快速地推進(jìn)量產(chǎn)的進(jìn)程，中國在這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程有望充分發(fā)揮制造的優(yōu)勢。

（編輯：周上祺）

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