人民日报：“细胞工厂”里的万千世界

生物制造正在成为推动制造业高质量发展的重要引擎

“细胞工厂”里的万千世界

“十五五”规划纲要对前瞻布局未来产业作出重要部署，要求推动生物制造等成为新的经济增长点。

当前，我国生物制造产业正加速从技术突破迈向更多应用场景落地，持续培育发展新动能。它将怎样改变生产生活？又将如何发展壮大？

生物制造改变传统制造业生产思路，打开物质生产新空间

生物制造改变传统制造业生产思路，打开物质生产新空间

香水里的玫瑰气息，不一定来自花田。

在天津大学合成生物前沿研究院，科研人员将玫瑰中调控玫瑰醇合成的关键基因“嫁接”至酿酒酵母，就能生产出玫瑰醇。这项技术已在10吨级发酵体系中完成中试，并制成首款“微生物玫瑰醇”香水推向市场。

类似的例子还有很多。

把玉米中的淀粉转化成葡萄糖，利用微生物发酵，能够合成尼龙前体，制成运动服和防晒衣；

依托农林废弃物等资源，可生产饲用蛋白、氨基酸等产品，有效替代豆粕、鱼粉等传统依赖进口的蛋白原料；

以工业废气为基础，能够发酵生产丁醇这类重要化工原料，支撑保障航空燃油供给；

“这就是生物制造的魅力。”中国科学院院士、天津大学教授元英进介绍，从抗生素、维生素到重组蛋白、酶制剂、生物基材料，再到天然色素、香料和燃料，生物制造已延伸至医药、食品、农业、化工、材料、能源等多个国民经济重要行业。

人类的衣食住行离不开物质生产，而物质生产需要原料。

“原料获取有两种传统途径，有的基于石油等物质通过化学手段合成，有的从大自然中直接提取动植物成分。”中国科学院微生物研究所项目研究员刘树文介绍，这两种途径既有合理性，也有明显局限。

刘树文举例，传统制造业非常依赖石油，今年国际原油浮动较大，导致石油化工路线生产的氨基酸价格翻倍。氨基酸作为饲料营养剂的重要成分，其价格上涨引发饲料企业涨价，直接冲击生猪产业。另一方面，传统石油、煤炭化工生产多采用高温高压工艺，高耗能、高排放，环境压力较大。

“从动植物获取原料，往往受季节、地域和资源约束，像一些抗癌药物需要的原料，只来自某种珍稀保护动植物，实在难以获取也不利于生物多样性保护。”刘树文说。

对比之下，生物制造获取原料具有显著优势。

元英进解释道，生物制造过程中，生物反应通常条件温和，原料来自可再生资源或废弃物，生产流程能减少有毒试剂和资源消耗。

“一个国家获取原料的能力，关系着产业链韧性和生物科技安全。从这个角度来看，安全、健康、绿色、经济的生物制造早已不再是一种技术补充，而是上升到了支撑实体经济转型、实现绿色低碳发展的产业高度，关乎百姓福祉。”元英进说。

放眼全球，生物制造已经成为新一轮科技革命和产业变革的重要部分。

专家认为，我国生物制造产业正在从“跟跑”向“并跑”转变，甚至部分领域出现“领跑”。

“合成生物技术是当前全球科技竞争的前沿领域，也是国家未来产业的重点方向。”华润双鹤药业股份有限公司董事长陆文超表示。超大规模市场、完整工业体系、丰富应用场景和发酵制造基础，是我国生物制造产业具备的明显优势。同时，医药、食品、化工、装备等行业还为生物制造技术落地提供配套。

工业和信息化部数据显示，我国生物制造产业总产值约1.1万亿元，发酵产品产量占全球70%以上。据统计，现代生物发酵、生物基化学品以及生物基材料等主要产业规模已超过8000亿元，氨基酸、有机酸产量居世界首位。

数据来源：工业和信息化部

“未来，衡量一个国家生物制造产业发展成效，不是看谁的产品清单更长，而是看谁能率先实现性能更优、成本可承受、环境收益可量化的生物路线，看谁能真正让生物制造成为推动制造业高质量发展的重要引擎。”元英进说。

实现菌种自主可控，把生物制造产业的主动权掌握在自己手中

在专家看来，我国生物制造领域在下游产业链和应用生态上具备明显优势，但在上游部分核心环节仍存在短板。

菌种，就是生物制造产业中的“芯片”。

刘树文介绍，在“细胞工厂”工作过程中，菌种优劣决定了生物制造的产品好坏。

打个比方，菌种里也有“冠军”，越好的菌种，生物合成的效率越高，成本越低，起到事半功倍的作用。但是，我国核心菌种和关键酶创制能力不足，且受国际专利壁垒影响，在核心菌种等领域仍存在知识产权纠纷。

“当务之急，就是要自己造出‘冠军’菌种，实现自主可控，把生物制造产业的主动权掌握在自己手中。”刘树文说，如今，这样的实践越来越多。

以维生素B5为例，为了使菌种达到最优性能，刘树文和团队成员历经80多轮代谢工程改造，最终得到了心目中的“冠军”菌种。目前，他们利用研发的一步发酵法生产维生素B5，已建成全球首套工业生产线。

在天津大学，科研人员把酵母超长染色体分解为可组装的标准片段。从两条染色体的精准合成，到5.5条合成型染色体的整合，再到创制26万余种种质资源，团队研究目标从“能合成”基因组逐步转向“能获得有用功能”的全新菌种。

利福霉素S—钠盐是抗结核药物的关键成分。曾经，它的发酵水平上不去，生产成本居高不下。华润双鹤通过合成生物学手段，自主研发筛选出高产工程菌株，使得这类成分的单位生产成本大幅降低。

专家表示，高校科研院所和企业投身菌种自主研发，需要长期稳定的支持。

“所里团队改造菌种研发维生素B5，靠的是国家持续10余年的支持，这期间反复试错、迭代，不断经历‘设计—编辑—测试—反馈’的循环，从而发现生命规律。”刘树文说，生物制造产业回报周期长，很难短期见到收益，长周期的资金投入和战略定力，才能支撑行业人员走下去。

“即使现在找到了‘冠军’菌种，也不意味着停止自主创新。这个菌种是否已达到理论最大转化率，是否还能提高产能，都是科研人员一直思考探索的问题，稍一松懈，就可能落在别人后面。”元英进说。

从实验室到生产线，打通产业全链条，完成“从0到1再到100”的跨越

产业竞争，不只发生在一株菌、一个产品上。

透视全产业链，往上游追溯，生物制造涉及基因合成、工业菌种、工具酶、试剂和生物数据等环节。向下游延伸，牵扯生物反应器、在线控制、分离纯化、工艺软件和质量标准等。

“专利、菌种库、数据算法、核心装备和工程诀窍共同构成‘技术栈’，任何一层薄弱都可能影响生物制造的成本与供应安全。”元英进表示。

元英进举例，实验室里表现优异的菌株，放进工业发酵罐未必仍然“听话”，从毫升级到百吨级，温度、酸碱度、溶氧等因素都会变化。况且，工业化看重的，也不只有“最高产量”，还有产量、转化率、生产强度、稳定性和批次质量一致性等多项指标。

因此，从生物制造技术实验室到生产线，远比按比例放大配方复杂，需要冲破“小试”“中试”等层层关卡，才能走向真正的产业化。

所谓“小试”，通常在实验室里就能解决。刘树文介绍，科研人员对原始菌种进行基因改造后，会持续优化，多次调控，在较小规模里测试指标。

更具挑战性的是“中试”环节。中试平台要用接近生产的条件尽早发现问题，避免建成大产线后再“交学费”。真正实现科技成果转化，签完一纸专利转让合同只是起点，后面还要靠科研团队、工程平台、企业和应用场景共同接力。

企业是创新的主体。染菌、传质不均、产物降解，任何一个细节都可能让一个在实验室表现优异的产品，在放大阶段彻底失败，这就是成果转化“死亡之谷”。生物制造的“中试”环节经常由企业负责，依托充足的资金、人力、技术等资源扛过难关。

为破解“中试”环节难题，华润双鹤增加投入，建设中试平台，并组建30余人的团队和专业中试车间，形成从50升到20吨的中试转产承接能力，并面向行业开放合作。

后期，为实现产业化规模，企业通过收购先进制造产线等方式，依托成熟产业化平台，让产品中试完成后，就能够快速对接已验证的产业出口，完成放大落地。例如，华润双鹤通过全细胞生物催化工艺实现了高效合成，生产出生物法1,4—丁二胺产品，经过产业化充分放大，已成功导入下游合作伙伴的生物基高性能聚酰胺材料中，实现了从上游单体到下游高附加值材料的产业链跨越。

“今天我们突破了技术，明天别人也可能突破。这还不够，关键是要拥有可持续产出创新产品的平台，打通产业全链条，完成‘从0到1再到100’的跨越。”陆文超表示。

近年来，我国不断加强生物制造领域顶层设计，持续推进创新平台建设和关键核心技术攻关。伴随人工智能（AI）与生物制造深度融合，湖南、浙江等多个省份打造“AI+合成生物”产业联合体，紧密联结高校、企业、投资机构及科创园区。为加强人才支撑，中国科学院微生物研究所创新激励机制，让更多科研人员投身生物制造赛道。今年，天津大学生物制造本科专业获批招生，将培养更多懂生命科学、化学工程、装备和AI的复合型人才。

唯有多方共同解题，才能把实验室里的好指标，变成工厂的稳定产出和市场的持续订单，细胞“造物”的潜力才能真正释放。

来源：人民日报

记者：刘诗瑶

*本文封面由AI工具辅助生成