最近一週的科技界新聞，最熱的莫過於諾貝爾獎揭曉。化學獎授予三位科學家：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設計方面的貢獻；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結構預測方面的貢獻。三位獲獎者利用AI製作出一系列蛋白質設計與結構預測的精確工具，大力推動了合成生物學等多個前沿領域的發展。

　　在廣州，已有科技企業利用戴維·貝克開發的基於深度學習的蛋白質序列設計工具製成了人造蛛絲。人造蛛絲如何製成？有何用途？它背後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

　　實驗人員從數據庫中選取力學性質優秀的蛛絲基因序列，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，獲得性能更優秀的重組蛋白基因。隨後，這段經過改造的外源蛛絲蛋白基因片段就會被誘導進入大腸桿菌內。這也意味着，人們只要培養足夠多改造後的大腸桿菌，並提供營養液，就有望工業化生産重組蛛絲蛋白産品。

　　3.優化蛋白質序列

　　實驗人員利用AI技術不斷調整優化蛛絲蛋白的蛋白質序列，從而持續提升合成蛛絲蛋白的性能和産量，其中包括戴維·貝克實驗室的蛋白質序列設計工具ProteinMPNN。

　　戴維·貝克憑藉ProteinMPNN工具等一系列基於計算蛋白質設計方面的貢獻獲得諾貝爾化學獎。該工具有助於將設計蛋白質的時間長度從“月”縮短至“秒”，從而在産研效率上獲得質的提升。

　　4.蛋白純化

　　採用破壁、離心、清洗、重懸、色譜、冷凍乾燥等純化工藝，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

　　經過純化後的人造蛛絲蛋白呈現灰白粉末狀，可以直接添加入美粧産品中，有助於保濕和舒緩敏感肌膚，促進皮膚緊致；也可以紡成蛛絲，用於紡織。

　　6.獲得人造蛛絲産品

　　使用蛛絲蛋白製成的衣服，柔軟、耐穿、可生物降解。此外，蛛絲蛋白也可用於傷口敷料和組織工程。

　　廣州持續在合成生物賽道發力

　　1.通過改造農業含氮廢棄物降解菌，生産飼料蛋白，改變我國豆粕進口依賴

　　2.通過生物合成技術，合成了昆蟲性信息素，借此誘捕害蟲

　　3.基於遺傳代謝病診斷與治療的AI+BT全棧開發&&，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域持續發力，&&制定了一系列政策，不斷優化創新生態，促進産學研用深度融合，推動合成生物産業創新發展。2024年廣州科技創新創業大賽首設合成生物賽道。廣州的合成生物産業也正迎來前所未有的發展機遇。

　　廣州合成生物産學研技術創新聯盟相關人士透露，廣州擁有雄厚的合成生物學基礎。科研方面，廣州有非常多不同領域的專家學者，在生物技術、生物科學方面的基礎非常好；産業方面，廣州在生物醫藥、美容美粧、食品等行業上都擁有強大的産業基礎。這都為合成生物學在廣州的厚積薄發奠定了牢固的基石。

　　在近日舉辦的廣州市合成生物産業應用産學研交流會上，記者了解到，廣州有多項合成生物研究成果正轉化落地，在保障糧食安全、殺滅害蟲等領域貢獻力量。

　　華南理工大學羅曉春教授主持的“綠色單循環——低值生物質高值化利用”項目，通過改造農業含氮廢棄物降解菌，生産飼料蛋白，改變我國豆粕進口依賴，保障國家糧食安全，獲得廣東省農業微生物領域十大可應用轉化重大科技成果獎。

　　草食性昆蟲對農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合成了昆蟲性信息素，借此可以大量誘捕害蟲，並減少傳統化學殺蟲劑對環境的影響。

　　廣州少和生物科技有限公司的魏韜博士展示了“基於遺傳代謝病診斷與治療的AI+BT全棧開發&&”，結合人工智能預測分析與CRISPR基因編輯技術，打破國外診療藥物專利封鎖，為甲基丙二酸血症、高尿酸血症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的高度關注。

　　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、武打格鬥的場景印象深刻，蛛絲強韌的特性並非電影藝術誇張，而是有科學依據的。蛛絲蛋白是蛛絲的重要構成，由蜘蛛腺體分泌，是一種結構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，遠遠高於蠶絲、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。這也使得蛛絲這一具有優良性質的纖維難以被利用。但如今，利用合成生物學方法，態創生物科技（廣州）有限公司（簡稱態創生物）成功生産出了人造蛛絲，為蛛絲應用打開“新大門”。

　　蛛絲蛋白應用：從美粧産品到防彈衣

　　美粧護膚

　　人造蛛絲蛋白可加入美粧産品中，形成順滑、透氣的保護層，有助於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。

　　製作織物

　　態創生物科學家楊剛柱介紹，在紡織領域，蛛絲蛋白具有高強度、高韌性、良好的熱導率等特性，製成的衣服柔軟、耐穿、可生物降解。

　　此外，蛛絲蛋白在生物醫藥領域也可用於傷口敷料和組織工程。

　　軍工芯片

　　蛛絲蛋白在軍工、環境監測和芯片製造中也有應用。比較酷炫的創新應用是用蛛絲蛋白製作防彈衣。楊剛柱&&：“利用蛛絲的特性，生産一件輕薄的防彈衣擋住子彈，也是非常有前景的應用。”

　　據相關國際專業報告分析，全球蛛絲蛋白市場在2023年的規模為25億美元。

　　預計到2031年將增長到94.9億美元，年複合增長率達18.29%。

　　目前，蛛絲蛋白在美粧個護、紡織材料領域的全球應用已進展到市場導入階段。奇華頓、資生堂、阿迪達斯等一批國際知名企業已在市售産品中應用蛛絲蛋白。

　　合成基礎：底盤

　　合成生物學離不開“底盤”。態創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 産出物質

　　在特定條件下，經過改造的微生物“吃下”人類投喂的食物後，就能生産出我們想要的物質，就好像汽車的所有零部件都要安裝在底盤上，微生物也構成了合成生物學生産的基石。

　　細菌細胞都可以做“底盤”

　　隨着生物學的發展，“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，經過人類的改造後，都可被利用為“底盤”。

　　大腸桿菌可成為蛛絲蛋白“底盤”

　　具體到生産蛛絲蛋白，態創生物選擇的“底盤”是一種大腸桿菌。實驗室首先從數據庫中選取力學性質優秀的蛛絲基因序列，之後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，得到性能更優秀的重組蛋白基因。

　　隨後，這段經過改造的外源蛛絲蛋白基因片段就會被誘導進入大腸桿菌內。大腸桿菌“底盤”就被成功“組裝”了。之後，人們只要培養足夠多改造後的大腸桿菌，並向它們提供營養液，就有望工業化生産重組蛛絲蛋白産品。

　　驅使微生物“為我們打工”

　　鄧子新院士：合成生物學具有非天然但優於天然的功能

　　元英進院士：5年內，10種常見處方藥的製造速度將提升10倍

　　譚天偉院士：在當下科技與産業革命中，全球70％的産品可用生物生産

　　在“造物致用”方面，人類改造微生物，並驅使微生物來“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，具有非天然但優於天然的功能。”他介紹，我國已利用生物合成技術研發出藥物，“我國原來沒有廠商生産維生素E，只能進口；如今通過生物合成技術製造出維生素E，我國也一躍成為生産大國。生物合成改變了國外化學合成的複雜程序，成本低，過程安全，投資少，效率很高。”

　　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略重地，各國都制定了遠大目標。他預計，利用合成生物學，10種常見處方藥的製造速度5年內將提升10倍。

　　中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉&&，在當下科技與産業革命中，全球70％的産品可以用生物生産，有望創造30萬億美元的經濟價值，“到本世紀末，在製造業中，生物製造將起到舉足輕重的作用，它的産品將橫跨諸多行業，包括藥物、輕工、化學品、能源、食品等。”