新華網(wǎng)10月16日訊 最近一周的科技界新聞，最熱的莫過于諾貝爾獎揭曉?；瘜W獎授予三位科學家：其中一半授予美國華盛頓大學的戴維·貝克，以表彰其在計算蛋白質(zhì)設(shè)計方面的貢獻；另一半則授予德米斯·哈薩比斯和約翰·江珀，以表彰他們在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方面的貢獻。三位獲獎?wù)呃肁I制作出一系列蛋白質(zhì)設(shè)計與結(jié)構(gòu)預(yù)測的精確工具，大力推動了合成生物學等多個前沿領(lǐng)域的發(fā)展。
在廣州，已有科技企業(yè)利用戴維·貝克開發(fā)的基于深度學習的蛋白質(zhì)序列設(shè)計工具制成了人造蛛絲。人造蛛絲如何制成？有何用途？它背后的合成生物學又是一門怎樣的學科？本期《科技周刊》，我們將帶大家領(lǐng)略AI+合成生物的神奇魅力。
人造蛛絲是這樣合成出來的
1.蜘蛛+貽貝提供基因
實驗人員從數(shù)據(jù)庫中選取力學性質(zhì)優(yōu)秀的蛛絲基因序列，再選出一段貽貝足蛋白基因片段。
2.重組蛋白基因
蛛絲基因序列和貽貝足蛋白基因片段融合，獲得性能更優(yōu)秀的重組蛋白基因。隨后，這段經(jīng)過改造的外源蛛絲蛋白基因片段就會被誘導(dǎo)進入大腸桿菌內(nèi)。這也意味著，人們只要培養(yǎng)足夠多改造后的大腸桿菌，并提供營養(yǎng)液，就有望工業(yè)化生產(chǎn)重組蛛絲蛋白產(chǎn)品。
3.優(yōu)化蛋白質(zhì)序列
實驗人員利用AI技術(shù)不斷調(diào)整優(yōu)化蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)序列，從而持續(xù)提升合成蛛絲蛋白的性能和產(chǎn)量，其中包括戴維·貝克實驗室的蛋白質(zhì)序列設(shè)計工具ProteinMPNN。
戴維·貝克憑借ProteinMPNN工具等一系列基于計算蛋白質(zhì)設(shè)計方面的貢獻獲得諾貝爾化學獎。該工具有助于將設(shè)計蛋白質(zhì)的時間長度從“月”縮短至“秒”，從而在產(chǎn)研效率上獲得質(zhì)的提升。
4.蛋白純化
采用破壁、離心、清洗、重懸、色譜、冷凍干燥等純化工藝，將重組蛛絲蛋白分離純化出來，過程十分簡潔高效。
5.獲得人造蛛絲蛋白
經(jīng)過純化后的人造蛛絲蛋白呈現(xiàn)灰白粉末狀，可以直接添加入美妝產(chǎn)品中，有助于保濕和舒緩敏感肌膚，促進皮膚緊致；也可以紡成蛛絲，用于紡織。
6.獲得人造蛛絲產(chǎn)品
使用蛛絲蛋白制成的衣服，柔軟、耐穿、可生物降解。此外，蛛絲蛋白也可用于傷口敷料和組織工程。
廣州持續(xù)在合成生物賽道發(fā)力
1.通過改造農(nóng)業(yè)含氮廢棄物降解菌，生產(chǎn)飼料蛋白，改變我國豆粕進口依賴
2.通過生物合成技術(shù)，合成了昆蟲性信息素，借此誘捕害蟲
3.基于遺傳代謝病診斷與治療的AI+BT全棧開發(fā)平臺，打破國外診療藥物專利封鎖
近年來，廣州在合成生物學這一前沿領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，出臺制定了一系列政策，不斷優(yōu)化創(chuàng)新生態(tài)，促進產(chǎn)學研用深度融合，推動合成生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。2024年廣州科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽首設(shè)合成生物賽道。廣州的合成生物產(chǎn)業(yè)也正迎來前所未有的發(fā)展機遇。
廣州合成生物產(chǎn)學研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟相關(guān)人士透露，廣州擁有雄厚的合成生物學基礎(chǔ)。科研方面，廣州有非常多不同領(lǐng)域的專家學者，在生物技術(shù)、生物科學方面的基礎(chǔ)非常好；產(chǎn)業(yè)方面，廣州在生物醫(yī)藥、美容美妝、食品等行業(yè)上都擁有強大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。這都為合成生物學在廣州的厚積薄發(fā)奠定了牢固的基石。
在近日舉辦的廣州市合成生物產(chǎn)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)學研交流會上，記者了解到，廣州有多項合成生物研究成果正轉(zhuǎn)化落地，在保障糧食安全、殺滅害蟲等領(lǐng)域貢獻力量。
華南理工大學羅曉春教授主持的“綠色單循環(huán)——低值生物質(zhì)高值化利用”項目，通過改造農(nóng)業(yè)含氮廢棄物降解菌，生產(chǎn)飼料蛋白，改變我國豆粕進口依賴，保障國家糧食安全，獲得廣東省農(nóng)業(yè)微生物領(lǐng)域十大可應(yīng)用轉(zhuǎn)化重大科技成果獎。
草食性昆蟲對農(nóng)作物的威脅日益加劇。來自中山大學的副教授夏憶寒通過生物合成技術(shù)合成了昆蟲性信息素，借此可以大量誘捕害蟲，并減少傳統(tǒng)化學殺蟲劑對環(huán)境的影響。
廣州少和生物科技有限公司的魏韜博士展示了“基于遺傳代謝病診斷與治療的AI+BT全棧開發(fā)平臺”，結(jié)合人工智能預(yù)測分析與CRISPR基因編輯技術(shù)，打破國外診療藥物專利封鎖，為甲基丙二酸血癥、高尿酸血癥等代謝病患者帶來福音，這一合成生物成果也受到了投資機構(gòu)的高度關(guān)注。
蛛絲強度韌性遠勝蠶絲棉花
看過電影《蜘蛛俠》的觀眾，都會對男主角依靠蛛絲飛檐走壁、武打格斗的場景印象深刻，蛛絲強韌的特性并非電影藝術(shù)夸張，而是有科學依據(jù)的。蛛絲蛋白是蛛絲的重要構(gòu)成，由蜘蛛腺體分泌，是一種結(jié)構(gòu)緊密堆砌的纖維蛋白，類似一個“分子彈簧”，這讓蛛絲具有極高的強度和韌性，遠遠高于蠶絲、棉花等自然纖維。
但在自然界中，因為蜘蛛同類相殘的天性，人類無法將它們像蠶一樣集中飼養(yǎng)。這也使得蛛絲這一具有優(yōu)良性質(zhì)的纖維難以被利用。但如今，利用合成生物學方法，態(tài)創(chuàng)生物科技（廣州）有限公司（簡稱態(tài)創(chuàng)生物）成功生產(chǎn)出了人造蛛絲，為蛛絲應(yīng)用打開“新大門”。
蛛絲蛋白應(yīng)用：從美妝產(chǎn)品到防彈衣
美妝護膚
人造蛛絲蛋白可加入美妝產(chǎn)品中，形成順滑、透氣的保護層，有助于保濕和舒緩敏感肌膚，促進皮膚緊致，在面霜、乳液和面膜中能提供額外的護理效果，亦可以用作面膜、眼膜、敷料等支持材料。
制作織物
態(tài)創(chuàng)生物科學家楊剛柱介紹，在紡織領(lǐng)域，蛛絲蛋白具有高強度、高韌性、良好的熱導(dǎo)率等特性，制成的衣服柔軟、耐穿、可生物降解。
此外，蛛絲蛋白在生物醫(yī)藥領(lǐng)域也可用于傷口敷料和組織工程。
軍工芯片
蛛絲蛋白在軍工、環(huán)境監(jiān)測和芯片制造中也有應(yīng)用。比較酷炫的創(chuàng)新應(yīng)用是用蛛絲蛋白制作防彈衣。楊剛柱表示：“利用蛛絲的特性，生產(chǎn)一件輕薄的防彈衣?lián)踝∽訌棧彩欠浅Ｓ星熬暗膽?yīng)用?！?/p>
據(jù)相關(guān)國際專業(yè)報告分析，全球蛛絲蛋白市場在2023年的規(guī)模為25億美元。
預(yù)計到2031年將增長到94.9億美元，年復(fù)合增長率達18.29%。
目前，蛛絲蛋白在美妝個護、紡織材料領(lǐng)域的全球應(yīng)用已進展到市場導(dǎo)入階段。奇華頓、資生堂、阿迪達斯等一批國際知名企業(yè)已在市售產(chǎn)品中應(yīng)用蛛絲蛋白。
合成基礎(chǔ)：底盤
合成生物學離不開“底盤”。態(tài)創(chuàng)生物科學家楊剛柱告訴記者，大部分的“底盤”其實就是各類微生物。
“底盤”吃下原料 產(chǎn)出物質(zhì)
在特定條件下，經(jīng)過改造的微生物“吃下”人類投喂的食物后，就能生產(chǎn)出我們想要的物質(zhì)，就好像汽車的所有零部件都要安裝在底盤上，微生物也構(gòu)成了合成生物學生產(chǎn)的基石。
細菌細胞都可以做“底盤”
隨著生物學的發(fā)展，“底盤”種類變得豐富多樣，細菌、真菌、植物細胞、動物細胞甚至癌細胞，經(jīng)過人類的改造后，都可被利用為“底盤”。
大腸桿菌可成為蛛絲蛋白“底盤”
具體到生產(chǎn)蛛絲蛋白，態(tài)創(chuàng)生物選擇的“底盤”是一種大腸桿菌。實驗室首先從數(shù)據(jù)庫中選取力學性質(zhì)優(yōu)秀的蛛絲基因序列，之后將一段貽貝足蛋白基因片段同所選取的蛛絲基因片段進行融合，得到性能更優(yōu)秀的重組蛋白基因。
隨后，這段經(jīng)過改造的外源蛛絲蛋白基因片段就會被誘導(dǎo)進入大腸桿菌內(nèi)。大腸桿菌“底盤”就被成功“組裝”了。之后，人們只要培養(yǎng)足夠多改造后的大腸桿菌，并向它們提供營養(yǎng)液，就有望工業(yè)化生產(chǎn)重組蛛絲蛋白產(chǎn)品。
驅(qū)使微生物“為我們打工”
鄧子新院士：合成生物學具有非天然但優(yōu)于天然的功能
元英進院士：5年內(nèi)，10種常見處方藥的制造速度將提升10倍
譚天偉院士：在當下科技與產(chǎn)業(yè)革命中，全球70％的產(chǎn)品可用生物生產(chǎn)
在“造物致用”方面，人類改造微生物，并驅(qū)使微生物來“為我們打工”的時代正在到來。
中國科學院院士鄧子新告訴記者：“合成生物學是一個學科高度集成、堪比機械工程和土木工程的學科，具有非天然但優(yōu)于天然的功能?！彼榻B，我國已利用生物合成技術(shù)研發(fā)出藥物，“我國原來沒有廠商生產(chǎn)維生素E，只能進口；如今通過生物合成技術(shù)制造出維生素E，我國也一躍成為生產(chǎn)大國。生物合成改變了國外化學合成的復(fù)雜程序，成本低，過程安全，投資少，效率很高?！?/p>
中國科學院院士、天津大學教授元英進介紹，合成生物學已成大國戰(zhàn)略重地，各國都制定了遠大目標。他預(yù)計，利用合成生物學，10種常見處方藥的制造速度5年內(nèi)將提升10倍。
中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉表示，在當下科技與產(chǎn)業(yè)革命中，全球70％的產(chǎn)品可以用生物生產(chǎn)，有望創(chuàng)造30萬億美元的經(jīng)濟價值，“到本世紀末，在制造業(yè)中，生物制造將起到舉足輕重的作用，它的產(chǎn)品將橫跨諸多行業(yè)，包括藥物、輕工、化學品、能源、食品等?！?/span>
