合成生物学在农业食品领域，以解决人类食品缺乏、食品质量等问题，对全球可持续发展至关重要。
文|35斗
35斗在对国家重点研发计划系列涉农专项资金和项目投入解析中，此前已针对国家重点研发计划的设立，以及在“智能农机装备”领域项目布局做了汇总，现就“合成生物学”专题继续与大家分享，以窥见国家在合成生物学农业应用的投入计划。
近几年，合成生物学无论在医疗、农业、食品等领域都备受关注，从技术端到对应的产业落地，从研究项目中寻找未来产业机遇，也是35斗研究国家项目的主要原因之一。
在国家重点鼓励的创新方向中，合成生物学属于部署起步晚，发展快的专题。2018年开始启动专题，至今累计立项项目114项，其中直接涉农项目27项，国拨经费约10亿元（依据2018年公布项目经费推算）。
35斗梳理了自国家重点研发计划设立以来，合成生物学领域所有直接涉农项目，按照农业产业链分析，研究产业发展机遇。
合成生物学以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，以获得重构的或者非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容大体可以分为3个层次：一是利用已知功能的天然生物模型或模块构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成的方法，人工合成基因组DNA并重构生命体；第三是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体。
然而，在2016年国家重点专项设立之初，立项的41项重点专项并不涉及合成生物学，但作为十三五中央财政科技计划管理方式变革最大的计划类型，重点研发计划重点专项的设立从一开始即定下了与时俱进的基调：即将国家重大科学问题、新兴科技、传统科技逐步纳入重点专项，并且在后续一系列国家政策中做了重要部署。
“合成生物学”相关政策
因此，2018年科技部按照国发〔2014〕64号文件要求，制定了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项实施方案。
“合成生物学”重点专项总体目标是针对人工合成生物创建的重大科学问题，围绕物质转化、生态环境保护、医疗水平提高、农业增产等重大需求，突破合成生物学的基本科学问题，构建几个实用性的重大人工生物体系，创新合成生物前沿技术，为促进生物产业创新发展与经济绿色增长等做出重大科技支撑。
作为生物技术集群的典型代表，合成生物学在指南中的重要任务有：人工基因组合成与高版本底盘细胞构建、人工元器件与基因回路、特定功能的合成生物系统、使能技术体系与生物安全评估等。
与其他专题不同的是，目前已立项的项目均由高校和科研院所牵头承担，且项目实施周期均为5年。主要由于合成生物学领域在研究周期、资金需求、基础设施及技术等方面要求更高，而科研院所和高校一直是我国研发的绝对主力。
在涉农的27个项目（详细见文后附件）中，人工基因组合成与高版本底盘细胞构建涉及6项，人工元器件与基因回路11项，特定功能的合成生物系统9项，使能技术体系与生物安全评估1项。
将涉农的项目按照研究方向对应的目标，可将项目大致分为4大类：性能增效、生物基化学品、污染防治和生物传感器。其中性能增效和生物基化学品生产的项目为21项，约占78%。
“合成生物学”专题中不同领域涉农项目数 数据来源：公开网站，35斗整理
在性能增效方面，主要涉及农作物育种（抗逆、高产和营养品质）、植物/微藻固氮及光能利用等。 在生物基化学品生产方面，以生产获取高纯度、高品质为核心，围绕植物天然产物（紫杉醇、雷公藤内酯等），功能食品（糖、糖醇、油脂等）、杀菌素、高值化学品（人造淀粉），以及新蛋白等进行立项研究。 近年来，藻类已成为合成生物学领域研究的热点，从重点专项部署来看，主要围绕油脂合成、污染治理、营养添加剂等方面。 至2021年，“合成生物学”重点专项首次涉及食品安全研究方向，本研究围绕检测生物传感器，以期实现生物毒素、有害分子、掺假物等食品安全相关分子的检测，并能用于现场测定。
合成生物农业领域研究分布图 数据来源：公开网站，35斗整理
科研院校一直是我国研发的绝对主力，合成生物学领域更为突出。这些单位的普遍特点主要集中于以下几个：
在研究基础方面，科学家长期在本领域专研，获得一系列的科研成果，成为进一步研究的基础；在科研设施方面，我国不断布局在科研院校“国家重点实验室”建设，拥有高精尖的技术设施，成为科学研究的有力保障；在合作交流方面，科研院校无论是国外还是国内的专家沟通、校企合作等，都走在前列，吸纳优质人才，协作共进致力于新技术的创新研发。
中科院、西湖大学、华南理工已立项案例项目介绍
l 2018YFA0900600“基于植物底盘的药用植物活性成分研究及其应用”
中国科学院上海生命科学研究院，王勇教授，国家重点研发计划项目：2018YFA0900600“基于植物底盘的药用植物活性成分研究及其应用”项目首席科学家。王教授主要从事天然产物的合成生物学：运用合成生物学的思想和方法，开发天然的或非天然的复杂天然产物活性成分。
该项目主要研究外源基因在底盘细胞中的组装、适配机制和细胞全局调控机制，发展植物天然产物合成的高效基因组装和基因组编辑技术，开发植物天然产物的微生物工程细胞合成技术，并实施应用示范。
王教授团队部分基于合成生物技术的天然产物异源合成的产品或技术已与企业签署合作协议，正在进行产业化推广，推动了行业技术进步。
l 2019YFA09006300“真核微藻光合元件的高效挖掘与适配重构”
西湖大学生命科学学院，李小波教授，国家重点研发计划项目：2019YFA09006300“真核微藻光合元件的高效挖掘与适配重构”首席科学家。李教授主要对淡水和海洋藻类的能量代谢和逆境生理展开生物化学、基因组学及合成生物学研究。
藻类可以分很多种，绿藻、红藻、硅藻、褐藻等等。该项目选择藻类作为主要模式生物，主要研究两种单细胞物种：一种是莱茵衣藻的淡水绿藻，是最接近陆地农作物生长模式的藻类，它的进化策略更容易应用借鉴到陆地农作物上；另一种是三角褐指藻的硅藻，是海洋中最丰富的藻类，进化出了多种独特的细胞结构，例如叶绿体被四层膜包被，细胞壁由无机的二氧化硅组成等，具有先天的捕光优势。
通过研究藻类的捕光和固碳，以达到绿藻提供营养添加剂和生物柴油前体脂类等产品的作用，其中工程改造后的绿藻已经被用来生产药用蛋白，将进一步应用到其他陆地农作物。
利用高通量的遗传操作技术将硅藻中特殊的捕光天线蛋白与色素转移到绿藻中去，以此来提高绿藻的光合作用效率，从而在一定条件下，增加绿藻的产量。同时，关于提高光合作用效率的研究最终也可以应用到陆地上的农作物上，从而提升农作物的生物总量。
l 2018YFA0901700“非细胞生物合成系统的构建与应用”
华南理工大学生物科学与工程学院，林影教授，国家重点研发计划项目：2018YFA0901700“非细胞生物合成系统的构建与应用”首席科学家。林教授利用基因组与蛋白质组学等前沿生物技术开展微生物代谢调控与机制研究，构建高效表达外源蛋白及细胞展示体系。
该项目主要以毕赤酵母为研究对象，围绕人工细胞与非细胞生物合成体系，开展先进绿色生物智造，用来提升人类疾病和健康监测水平，实现材料、能源和产品的可持续生产，提高农业生产水平和食品质量，并对减少温室气体排放、减缓全球气候变化作出重要贡献。
林教授申请专利：一种重组毕赤酵母工程菌及其在合成莱鲍迪苷A中的应用，其中莱鲍迪苷A甜度高，是蔗糖的300倍，而且味质良好，不含任何不良余味，是一种理想的天然甜昧剂。
合成生物学的核心内容是生物元件、基因线路、基因组工程及代谢工程。
生物元件是合成生物学的基础“零件”，常见的生物元件有：调控元件、催化元件、结构元件、操控和感应元件等。
基本线路是基因元件组成的代谢或调控通路，由启动子、阻遏子、增强子等调节基因构成的遗传装置，同时也是生命体对自身生命过程控制的动态调控系统。
代谢工程的作用是设计改造已有的代谢途径，常用的构建途径有：异源表达、细胞代谢繁育的构建与调节。
基因工程的作用是从头合成或重设计基因组，它的产生主要是由于基因组测序、基因编辑等技术的快速发展。
合成生物学：技术推动下的产业发展图谱 数据来源：公开网站，35斗整理
生物技术的进步推动着合成生物学快速发展，颠覆性使能技术是支撑合成生物学发展的关键，基因合成、基因编辑、蛋白质设计、细胞设计、高通量筛选等技术的发展对合成生物学的发展有着重要的支撑和推动作用，基因测序、DNA合成以及基因组编辑技术都是其核心使能技术。
基因测序技术的进步加速了生物元件的挖掘，使得物种序列信息指数增长，加上生物信息学和系统生物学识别与鉴定，大量生物元件的挖掘成为可能。
基因编辑技术是对目标基因进行编辑或修饰的基因工程技术，是一种能够定向改造基因组的强有力工具。常用的3种技术：锌指蛋白核酸酶（ZEN）、类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）和CRISPR/Cas系统。其中CRISPR/Cas9系统通常由一系列CRISPR相关基因与CRISPR阵列组成，因其易于构建、编辑效率高等优点，逐渐成为最广泛的基因编辑工具。
DNA合成技术是探索生命奥秘过程中的必要工具，其中芯片合成法以高密度、集成定位等特点占据领先优势。
随着合成生物学理论和技术上的不断突破，其应用范围也在不断拓宽，对医疗健康、科研、化学品、环境监测、农业、食品和饮料等领域产生深远影响。
根据CB Insights预测数据显示，在全球合成生物学市场中，食品和饮料、农业领域增长速度最快，2019年-2024年年复增长率预计分别为64.6%和64.2%。
合成生物学在农业食品中涉及产业主要有：育种、生物农药、生物肥料、生物饲料、功能食品、替代蛋白等，35斗在细胞工厂专题中系统总结了相关企业，并对细胞肉、人造奶头部企业做了分析。今天针对功能食品（功能糖、糖醇）和生物肥料领域举例分析我国企业产业发展状况。
3.1 金禾实业——驾合成生物学加入代糖“战场”，开发新代糖产品
随着人类对健康需求的不断重视，代糖食品成为人们追捧的新宠儿。据公开数据显示，无糖饮料市场规模从2014年的16.6亿元增至2020年的117.8亿元，复合增长率达到38.69%，远超饮料行业总体增长率。
据财联社报道，2022年1月21日，金禾实业（002597.SZ）与弈柯莱生物科技（上海）股份有限公司（下称“弈柯莱生物”）达成战略合作协议，并表示双方将推动合成生物技术在甜味剂领域的深度应用，未来联合开发新一代代糖产品。
在无糖饮料市场需求催化下，甜味剂行业逐渐站上风口。三元生物和保龄宝是赤藓糖醇的主要生产商，金禾实业安赛蜜和三氯蔗糖的市占率超过60%。公司产品被广泛应用于碳酸饮料、功能性饮料、果汁、奶茶、乳制品、肉制品、糕点面点等食品饮料中。
而弈柯莱生物已成功将合成生物学技术广泛应用于生物医药、植被保护、营养健康、诊断试剂、环境治理、健康食品等领域，是目前国际上合成生物学产业化进展最快企业之一。
金禾实业与弈柯莱生物的合作，是合成生物学技术在食品添加剂领域逐步产业化布局的鉴证，也将促使代糖产品在甜味剂市场空间不断扩大。
3.2 汉和生物——引领绿色防控，打造新型肥料
汉和生物（839724）致力于新型肥料的生产，在复合微生物菌应用、海藻中间体生物提取技术、复合糖醇螯合技术等领域不断创新，取得显著成果。其旗下品牌“欧神”“普罗施旺”，菌加富 、普滋菌 两款微生物菌剂产品，获得中国绿色食品协会颁发的绿色食品生产资料使用证明。
以研发和制造为核心驱动力的汉和生物，基于微生物、酶工程、合成生物学、分子生物学、基因编辑等新技术不断开发绿色新型肥料产品。于2020年6月9日正式投产合成生物学车间智慧工厂。
合成生物学智慧工厂系统 图源：公开网站
生产车间采用了全自动智能系统，可实时采集生产过程中的各项数据，运用大数据技术平台进行生产过程分析决策，达到自动化、智能化、数字化、信息化的控制管理。至2021年底，基于合成生物学的苯丙氨酸、脯氨酸等现已进入试产阶段，基于合成生物学技术的吲哚乙酸中试成功。
合成生物学在农业食品领域，以解决人类食品缺乏、食品质量等问题，对全球可持续发展至关重要，正大力推动一场产业革命。从探索替代原料和生产工艺，延伸到性能更好的产品开发，合成农业的产业化才刚刚到来。
参考资料：
1. 孟庆猛，合成生物学中那些不得不说的技术
2. 合成生物学产业研究：未来已来，开启“造物”时代
3. 合成生物学加入代糖“战场” 金禾实业联合弈柯莱生物开发新代糖
4. 2020智慧工厂：汉和生物合成生物学车间投产
5. 光合作用“藻”知道 | 李小波申报国家重点研发计划项目获批立项
附：2018-2021年“合成生物学”重点项目涉农项目
