手把手的采访，向你展示下一代合成生物学技术——光驱动合成生物学的理念和发展方向，改变和引领现有的合成生物学平台和技术路径。第013期未来百科的采访嘉宾是君妮博士光悦生物的CTO和创始人。以下是文章正文。在合成生物学领域，如何将科研成果产业化、低成本交付，是科学家和企业家的长期命题。上海交通大学特聘研究员、长期副教授君妮在科技创新与产业创新融合方面探索出一条独特的道路。基于合成生物学的理念，君妮提出了光驱动合成生物学的合成途径，在光合微生物中重构植物天然产物，高效地将CO转化为一系列高价值的天然产物。光合细胞工厂不再使用葡萄糖作为底物，而是使用温室气体CO来生产所需的目标产物，因此生产成本更低，生产过程也更环保。君妮的具体研究方向包括几个创新方向:一是以光合底盘为基础，利用多维合成生物学技术，模拟和重塑天然途径，实现白藜芦醇、苯乙醇、黄酮类等高价值天然产物的光驱动合成；二是开发温度定向、无辅酶等新策略将木质素转化为天然产物，形成可产业化的新技术，为提高生物炼制的整体效率和经济性奠定基础；再次，基于合成生物学理念，对光合微生物蓝藻进行功能定制，开发出一系列面向市场的生物基产品，包括活性光合微生物药物和藻基化妆品。这位80后青年科学家积累了多年的科研经验:2015年获得上海交通大学微生物学博士学位，随后在麻省理工学院媒体实验室完成博士后研究。曾入选《麻省理工科技评论》和上海青年科技新星“35位35岁以下科技创新者”，并以学生身份获得杜邦生物创意挑战赛特别奖。2021年，为了更好地将光驱动合成生物技术与工业应用相结合，君妮创立了Lumy Bio，建造了直接使用温室气体二氧化碳为原料的负碳电池工厂，以更绿色的方式赋能产业链，立志成为碳中和大趋势下的新一代合成生物技术领导者。目前，光悦生物在上海建有近2000平米的RD中心，拥有自动化平台和300多l的发酵设备，自成立以来，光悦生物获得群创天使基金数千万人民币天使轮投资，是近年来群创天使最大的单笔投资。
采访光岳生物-未来百科创始人君妮博士:首先，请向未来百科的读者介绍一下你自己。君妮:我从事合成生物学研究已经十多年了。南京农业大学本科阶段，进入实验室，掌握了分子生物学的基本操作。当时我研究的是微生物的代谢机制，开始改造大肠杆菌和酵母。起初，我利用微生物分泌和表达一些解毒蛋白，用于降解环境污染物和土壤修复。后来在上海交大读博士的时候，我开始研究基于合成生物技术的生物合成，使用了大量的底盘和工具，包括大肠杆菌、酵母、假单胞菌、凝结芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、克雷伯氏菌、光合微生物和目前生长最快的弧菌钠等。基于这些底盘，我开发了一系列的细胞工厂。其实从小规模到中试规模到产业化，从大宗化工到高附加值的天然产品，我们都做过。毕业后，我在麻省理工学院做博士后研究员，开始进行更多的微观蛋白质工程研究，合理设计并改造脂溶性膜蛋白为水溶性蛋白，实际上在合成生物学领域发挥了非常重要的作用。因为很多功能蛋白/酶实际上是膜蛋白，很难表达，而且大部分会形成包涵体，将其设计成水溶性蛋白可以提高其活性。2019年年中，我从美国回到上海交通大学生命科学与技术学院，开始组建自己的研究小组。我在酶工程、生物计算、发酵工程、无细胞系统方面搭建了成熟的技术平台。我们课题组的研究方向主要有两个，一个是光驱动合成生物学，一个是高值木质素。一般来说就是碳回收，利用废弃的碳资源，如二氧化碳、木质素等，合成高附加值的天然产物。光合效率研究和光合应用一直代表着人类探索和改造自然的前沿，我们也对光合效率的提高做了大量的研究。一直以来，我的学术研究其实都和工业应用有交叉。我在本科阶段参与的微生物降解研究，已经实现了产业化端，通过微生物降解土壤中的农药残留，从而修复农田土壤。也让我当时看到，生物技术真的可以造福人类。研究生研究生物合成涉及的产业化项目比较多，比如香兰素合成，已经推到了产业化端，聚乳酸这种可降解塑料，也已经推到了产业化端。这些工业流程让我知道了合成生物研究与真正量产的距离，以及如何解决一系列问题。2013年，我开始尝试改造光合微生物。我是世界上第一个利用光合细胞工厂成功生产出一系列高附加值的植物天然产品的人。我也意识到这将是一个全新的应用方向。回国后成立自己的研究组，就开始思考把光驱动合成生物学推向工业端。当时实际上国际上已经有一些公司开始利用光合微生物生产燃料和一些大宗化学品，但是还没有真正的光驱动合成生物技术公司。2021年初，合成生物学领域已经非常火热。国外几家合成生物公司相继上市，国内多家公司快速融资。但是，我并不想模仿这些现有的合成生物平台和技术路径，我还是想探索这种新一代的光驱动合成生物技术，所以我成立了光悦生物，希望实现对引进技术的优越替代。未来百科:你觉得追求科研和追求产业导向有矛盾吗？君妮:科学研究和工业之间有很大的不同，但也有协同作用。做科研的时候，其实不需要考虑太多后续行业的事情，揭示一个新的机制，或者使用一个新的策略。即使暂时难以达到申请阶段，也可能会发表更好的论文。对于工业化来说，很多时候，科学问题可能只占很小一部分。例如，我们的团队以前开发了一种生产散装化学品的技术。当企业来找我们合作时，我们已经有十多种生产这种物质的菌株。我原以为会是一个快速简单的工艺放大，但在真正的工业化生产之前，我们又花了两年时间对很多步骤进行优化调整。在实际的工业化中，你不得不面对一系列的问题:你只能使用廉价的氮源，如花生粕等。同时必须保证收率、收率和手性；生产过程尽可能有利于后续的提取和纯化；生产过程需要尽可能考虑下游废水处理。我们在学术上做了大量的创新工作，发展了近百种化合物的生物合成技术，但并不是所有这些技术都可以直接使用。产业化的过程会伴随着大量的前期工作的优化和完善，这是合成生物技术的开发和选择必须提前考虑的，这个过程也需要一步步积累经验。未来:你在科研/行业中遇到的最大困难是什么？你是怎么克服的？君妮:实际上，一开始是科学研究的挑战。刚接触光合微生物的时候，我觉得很简单，以为像大肠杆菌、酵母一样，把外源的方式转入微生物体内，就可以得到我们需要的产物。其实我把一个植物路径转移到了光合微生物中，但是没有得到想要的产物。我花了最长的时间研制出第一个光驱动细胞工厂，探索光合微生物的调控过程尤为重要。当然，这为后来新的光合细胞工厂的快速发展奠定了基础。在开始的时候，业界会认为在实验室里开发一个好的菌株基本上是成功的，但事实并非如此。如前所述，实验室中的菌株转化可能需要数周才能完成，而将其推向工业端通常需要数次。这里往往没有捷径，更多的是依赖于大量的实验。当然，经验和放大原理的知识会有帮助。未来百科:光驱动合成生物学领域有哪些趋势？君妮:光驱动合成生物学是以光合自养微生物为底盘，通过合成生物技术进行代谢重塑，构建“负碳”细胞工厂，直接将二氧化碳转化为目标产物的技术平台。自革命以来，人类一直向大自然索取资源，将化石资源变成工业产品，并排放大量温室气体二氧化碳。现在基于大肠杆菌、酵母等异养微生物底盘的合成生物学，仍然需要依赖葡萄糖等大量有机碳源，并排放二氧化碳，本质上是一种资源的消耗。目前，在全球碳中和和发酵产物增加的背景下，合成生物学应该思考如何从替代糖源中获得碳原料，从而为可持续发展提供更好的方案。回收排放的二氧化碳是合成生物学的发展方向和使命。虽然光合微生物被认为是地球上最古老的生物，但光合微生物的转化实际上是在最近十年才开始发展的。以前，大多数光合微生物的利用还停留在野生菌的状态，如螺旋藻和雨生红球藻。这个阶段类似于人们更早利用异养微生物酿酒，生产氨基酸和抗生素。光合微生物的转化最初集中在燃料和乳酸等简单分子上。2013年，我们开始使用光合微生物蓝藻生产高附加值的天然产品，并开发了一系列使能工具和策略。近两年，一些研究人员开始尝试将碳固定系统转移到异养微生物中，改造大肠和酵母直接利用CO进行生长。然而，这些系统很难实现高效的CO固定，并且转化微生物的生长会变得非常缓慢。另一方面，异养微生物中光系统的功能组装仍是学术界的难点，需要添加额外的能量物质。未来百科全书:光驱动合成生物学使用二氧化碳代替有机碳源，如葡萄糖。如何看待这种成本差异？在碳中和领域，如果要达到环保的要求，成本会很高。以合成生物学领域为例，利用二氧化碳驱动光的成本高于或低于葡萄糖等一些碳源的成本，决定了这个行业的发展速度。我可以这样理解吗？君妮:如果使用纯二氧化碳作为碳源，底物成本仍然占很大一部分。而我们现在培养光合微生物，都是让这些光合微生物自己从空气体中吸收二氧化碳，所以不需要额外添加二氧化碳，所以不会导致成本增加。当然现在也有一些补充3%~5%二氧化碳加速光合微生物生长的研究。未来百科:在微生物固碳方面，哪些微生物的固碳效率更高，是否已经到了产业化阶段？君妮:有许多微生物具有很高的固碳效率。在光合微生物中，蓝藻具有较高的固碳效率。它们生长速度快，固碳效率比陆生植物高几十倍甚至上百倍。现在光合微生物应该有很多工业应用，比如生产DHA、EPA或者虾青素。当然，这和合成生物学关系不大。国外一些公司利用经过改造的光合微生物生产乳酸、乙醇、丙二醇等大宗化学品。也有公司用它们来产生一些抗体，然后直接食用含有抗体蛋白的细菌来治疗肠胃疾病。未来百科:现在有一种共培养固碳细菌和常规工程菌的共生模式。这个方向呢？君妮:共生菌群正朝着这个方向发展。最需要考虑的是如何实现稳定的共生关系，以及如何最大化碳流向目标产品。目前更多的固碳光合微生物与异养细菌如大肠杆菌、酵母或假单胞菌共生，中间以蔗糖为主要碳源。15年开始研究自养-异养共生菌群，开发了混合菌系生产1，3-丙二醇。首次使用甘油作为中间碳源，以避免大肠杆菌等异养微生物的碳源利用转化导致的细胞负担增加。最近我们做了光合微生物和需钠弧菌的共生培养。这个系统有几个优点。一个是需钠弧菌的生长非常快，它的世代时间是大肠杆菌的两倍。另一方面，它们都可以在较高的盐浓度下生长，这将促进光合微生物的蔗糖产量。另一个优点是弧菌钠的最佳碳源是蔗糖。利用这一系统，我们生产了从散装化学品到高价值化合物的一系列产品。未来百科:光驱动合成生物学产业化的难点在哪里？君妮:我认为天然产物合成的产业化难度并不大，因为光合微生物在细胞层面具有独特的优势和很强的代谢可塑性，很多天然产物的产量已经可以超过大肠杆菌等工业微生物。当然，并不是所有的化合物都适合光驱动合成，现阶段很难工业化生产严重依赖简单前体的大型化学物质，比如乳酸。只需要一种酶来催化葡萄糖从中心代谢产物丙酮酸转化为乳酸，所以葡萄糖的转化效率非常高。但是，如果用二氧化碳从头生物合成乳酸，需要很长的路径。固碳效率会限制这类化合物的产生，现阶段很难超越异养微生物的生产水平。然而，最近全球领先的聚乳酸制造商Nature Works开始布局微生物直接将温室气体转化为乳酸的技术，这意味着光驱动合成生物技术也具有工业化生产大宗化学品的潜力。未来百科:基于微生物的合成生物学，如何随着代谢产物的积累实现连续生产？君妮:只有当代谢物积累到抑制微生物生长和生产的程度时，我们才需要解决连续生产的问题。对应的方法有很多。以乳酸的生产为例。生产系统中乳酸的积累量可以很高，但是解决的方法其实很简单。乳酸是一种酸性物质。我们通过添加氢氧化钙来调节pH值，使其形成乳酸钙，然后结晶。这样就可以很容易地实现产品分离，从而实现连续生产。未来百科:很多人认为蓝藻等光合微生物有生长慢、产量低的缺点。蓝藻与合成生物学的其他底盘细胞相比有什么优势？君妮:这实际上是一种误解。虽然光驱动合成生物学还处于起步阶段，但事实上，很多光合微生物的生长速度已经超过了很多工业微生物。当然，传统光合微生物应用的一大局限是生长速度慢，如螺旋藻4小时，衣藻5小时，小球藻20小时。显然，这个生长速度不适合作为光驱动合成生物技术的底盘菌株。聚球藻的光合底盘。我们研发的可以将二氧化碳生长的生成时间控制在2小时以内，最高OD为200，干重超过30g/L，早已超过酵母等异养微生物的生长速度。同时，在聚球藻的电子链修饰、光谱吸收、固碳等方面仍有一定空可以优化的空间。虽然光合微生物的生长速度与大肠杆菌相比还有很大差距，但在其他方面有明显优势。光合微生物除了不依赖葡萄糖和吸收温室气体外，由于类囊体结构的存在和足够的电子驱动，非常适合生产天然产物。通过这种技术获得的许多天然产物的产量已经超过了异养微生物利用有机碳源如葡萄糖获得的产量。光合作用还具有遗传背景清晰和自然转化的优势，将比大肠杆菌和酵母更适合开发自动化平台，这意味着我们可以更快地开发和迭代菌株。此外，生物污染的控制是合成生物学工业化应用必须面对的问题。在工业生产阶段，一个分批发酵过程的污染会带来几十万甚至上百万的损失。而光合微生物的培养基不含有机碳源，不易被异养微生物污染。同时可以精确控制培养体系中的无机成分，开放式培养转化的光合微生物，节省大量灭菌和过程控制的成本。未来百科:生产目标产品时，需要多少产量才能进入正式量产？君妮:实际上，大规模生产的目标产品的产量并没有一个确定的值。要看具体是什么产品，比如乳酸，一种散装化学品。基本上要200 g/L左右才能应用。而高价值的天然产物在10 g/L以内就可以量产，很多产品甚至可以达到毫克级，比如胭脂红酸。现在世界上最好的从零开始的合成还是微克级的。我们首先利用光驱动合成生物平台，合成高附加值的天然产物，可以在mg-g级别量产。目前，我们还将光合微生物发展为自养全细胞催化体系，生产香草醛、苯乙烯等化合物，产量达到克级以上。这个系统和大肠杆菌的全细胞催化过程是一样的，但是大肠杆菌在高密度培养时必须消耗大量的葡萄糖。未来百科:光合微生物的发酵形式是怎样的？除了二氧化碳还需要其他碳源吗？君妮:我们常用的培养设备是U型管，或者直接开放式生产。光线可以用led或者自然光，这也是光合微生物产业化的便利场所。相反，异养微生物通常需要建造大型发酵罐，以严格控制生物污染。这类发酵装置的投资很大，灭菌和过程控制的能耗也很高。事实上，光驱动合成不需要有机碳源。基本上直接用空气体中的二氧化碳就够了。当然，如果想让它们长得更快，也可以额外加入3%~5%的二氧化碳。光合作用的复用性会更好，因为培养基成分和培养条件相对简单确定。更简单、更确定的生产模式具有更好的复用性，不会受到复杂原料批次的影响。这个很好理解。未来百科:你为什么要成立光悦公司？公司目前进展如何？君妮:如前所述，从本质上讲，工业发酵和传统化学工业实际上都在消耗资源和排放温室气体。为了人类的可持续发展，是时候思考如何把温室气体重新变成有机物质了。这种方式才是真正的绿色合成。碳回收被认为是合成生物学的最高成就之一，越来越多的科学家开始关注二氧化碳的捕获和利用。开发和应用新一代合成生物技术实际上是我们的使命和责任。成立公司可以把自己研发的技术推向行业，更快的服务社会。国际上已经有一些公司开始利用光合微生物生产一些燃料和原料，但是还没有真正的光驱动合成生物技术公司。我认为光越生物科技将实现对进口技术的卓越替代，并决心成为光驱动合成生物技术的全球领导者。目前，悦生物拥有智能代谢重塑、酶工程、高精度发酵等技术平台，覆盖合成生物全链条。通过自研的光驱动合成生物平台，建立了全球最大的天然产物光合细胞库，包括数百个工程细胞工厂，可高效合成植物活性成分和抗菌肽。我们已与公司头部化妆品企业和某500强国企签约合作，将用更绿色的方式赋能产业链，服务可持续发展。我们计划在2022年建设自己的生产线，实现两条高价值原料管道的产业化。未来:你的第一个管道会是什么产品或方向？君妮:基于光岳的平台优势和技术积累，我们将专注于市场导向的苯丙烷天然产品的生产。这些植物的天然产物是最重要的抗氧化、抗衰老、抗菌、美白成分，涵盖了千余种消费品原料，单个品种就有几亿到几百亿的市场。我们的第一个管道是具有抗氧化活性的植物天然产品，可以用在护肤品中。当然，在未来，我们还可能探索更多类型产品的光驱动合成，包括大宗化学品，以更绿色的解决方案迎接更多挑战。未来百科:最近银杏、Zymergen等合成生物学巨头在经历了前期的热潮后进入低谷。如何看待行业的这种大起大落？君妮:Zymergen最大的问题可能是产品的选择。它把一个市场教育不足的管道作为自己的第一个产品，导致了现在的局面。但是他们还有十几条生产线，包括一些消费品，可能在重新注入失败后就要翻了。银杏生物工程是一家只做技术研发，不做产品的公司。他们认为这是一个更安全的选择。前段时间银杏股价暴跌，源于空机构做的报告。现在，它的市值已经上升到270多亿美元。我觉得他们的RD能力和商业合作能力还是值得期待的。再来说说另一家公司Amyris，作为最早在美国成立并上市的合成生物学公司。它的发展过程其实很有启发性。有些人可能不理解Amyris发展的主要逻辑。它首先将法呢烯作为太空燃料，然后生产青蒿素，现在开始将角鲨烷作为消费品的原料。但其实这些物质都属于一类天然产物，萜烯。正是Amyris在萜类化合物生产方面积累的技术和工业经验，使她在不断转换产品后取得了成功。未来百科:在你看来，合成生物学的价值更多的是提高合成效率和降低成本，还是创造出自然界或化学工业中不存在的东西？君妮:我认为两者都有。传统的化工生产消耗大量能源。当然，能源消耗意味着碳排放，这与当前碳中和的目标背道而驰。同时，生产过程中的污染物对环境造成非常严重的破坏。要改变这些，需要从底层技术进行颠覆性创新。合成生物学就是以解决这些问题为目标而出现的，这是合成生物技术最基本的价值。合成生物学确实可以生产更便宜的产品，尤其是那些化学手段难以获得的天然产物或高分子化合物。另一方面，一些化学合成的天然产品价格相对较低，而生物方法生产的产品被认为是天然的，往往具有较高的价值。例如，天然香兰素的价格比合成香兰素高100倍左右。当然，一些由合成生物创造的非天然化合物也有非常重要的应用，特别是在药物和新材料方面。未来百科:对于合成生物学平台，如何评价不同的RD平台、RD能力的差异以及RD服务的优缺点？君妮:实际上，这个评价相对较好。第一，评价RD平台和能力最直观的方法就是横向比较，看菌株改造能达到什么水平，对某个产品是否达到了世界最高水平，包括产量和良率等，或者有没有可能把成本降到最低。平台拥有的设备或者AI自动化，我觉得意义不大，因为设备是可以买的，对应的算法其实是最基础的，底层技术大家都有。二是看有没有把产品推向工业端的经验和能力。因为如果你不明白后端的产业化就是闭门造车，那就一定没有办法研发出适合应用的前端菌株。第三，是否有深耕市场的能力，哪怕是一个RD平台，也需要对市场有足够的了解，才能有相应的管道储备和厚度。此外，还要积极为产品寻找更多的应用场景，拓展下游市场。我经常和朋友讨论的就是杜邦的例子。虽然杜邦不是合成生物公司，但它有很多领先的合成生物技术，例如，1，3-丙二醇的合成生物技术。杜邦并不是简单的生产这种原材料，而是在此基础上开发多种材料，推向不同的子领域。Sorona面料就是其中之一，可以用来制作牛仔裤和地毯。其实这对于合成生物公司，尤其是产品公司来说，是一个非常好的暗示，可以在细分领域主动与更多公司建立合作，满足各种应用场景。未来百科:对于合成生物学来说，实验自动化和模块化是未来的方向吗？君妮:我认为自动化肯定是未来研发的方向。只有基于自动化的高通量实验才能更高效地获得更好的菌株。除了代谢重塑的经验，开发菌株最好的方法是使用自动化平台进行大规模筛选。现在高通量菌株的构建已经比较成熟，关键在于是否有针对性的标记来实现高通量筛选。只有高通量检测方法的建立和前端的高通量改造才有价值。目前所有高校的研究所基本都有合成生物学相关的自动化设备。我们需要做的是在此基础上制定相应的技术流程。例如，我们的研究小组利用人工设计的生物传感器结合无细胞系统，可以快速筛选出产生香兰素等天然产物的菌株。自动化的另一个意义是为AI/深度学习建模提供更准确可靠的数据，但这样的数据采集需要极高的自动化集成和仪器统一性。但是我们使用的很多设备，比如保温箱，还是很难保证不同部位的温度等条件完全一致。目前，AI用于代谢预测和设计的准确性仍然非常有限，但AI已经可以用于预测和设计蛋白质。人工智能指导的多酶复合体设计我们研究组也在做，其准确性已经通过湿实验得到验证。未来百科:最近发表在《自然化学》上的一篇论文显示，通过改造工程微生物来合成非天然产物，你如何看待这个方向？君妮:有很多关于非天然产品生产的研究。一些非天然产品可能比天然产品具有更好的特性。例如，作为药物，天然产物可能会被体内的酶快速代谢，而非天然产物可能更稳定、更持久。这些非自然的产物是常规方法无法获得的，用合成生物学的方法生产出来是一个很有前途的方向。
