4月25日，英国政府科学办公室发布前瞻性报告《工程生物学愿景》^[1]，强调了工程生物学在应对当今重大挑战方面的变革潜力——从实验室培育的血液到用于时尚的生物衍生材料，探讨了如何利用工程生物学创造更可持续的未来，帮助解决医疗保健、环境可持续性、农业和能源等领域的诸多问题。本报告通过5个案例研究，展示了工程生物学解决现实世界问题的广泛变革潜力。

1、生物合成燃料

燃烧化石燃料的碳排放是导致全球变暖的主要原因。航空业的煤油基燃料占全球二氧化碳排放量的3%，可持续航空燃料（SAF）生产量仅占全球航空燃料消耗的0.3%，且成本高、运输困难。该领域的愿景是：利用微生物和工程生物学，把废物转化为燃料，创造更可持续的循环经济。在偏远地区，微生物动力燃料工厂可能改变游戏规则，构建更可持续的未来。

未来工作：将工程生物学与过程工程和过程化学相结合，开发可扩展的商业能源解决方案。具体包括工业化适合的微生物，改进组件单元的兼容性，设计创新的生物反应器系统，并通过更好的催化剂设计实现成本降低。设计、原型制作、示范、验证、推广和复制的重复循环以实现规模化生产，将是这项技术工业化的关键。实现整体成本降低和提高工艺稳定性将是至关重要的。人工智能可以通过填补数据空白、实现更快的决策和系统优化，在加快进展方面发挥关键作用，特别是在过程工程方面。面临的挑战包括：工业化生物合成燃料工厂可能需要大量投资；需要就公众对使用工程生物体大规模生产燃料中间体的接受度进行评估；在该领域快速部署新技术面临安全性和可靠性的挑战。

2、固氮谷物

没有氮，植物就无法生长。而植物无法直接利用大气中的氮气，根瘤菌等土壤细菌擅长固氮，豆科植物通过吸引根瘤菌利用氮。但谷物作物没有根瘤，也不能产生豆科植物用来促进根瘤菌的特殊化学物质，需要施用氨基化学肥料。该领域的愿景是：小麦和大麦等谷物作物能够自行产生氮肥，解决农业中最大的挑战之一，提高全球作物产量，并带来环境效益。

未来工作：研究人员正在探索3种可能的途径，以实现谷类作物的固氮。一是对谷物进行工程改造，使其在根部形成可以容纳固氮细菌的根瘤状结构；二是设计谷物，使其根部释放化学信号分子，从而吸引固氮细菌；三是设计固氮细菌，使它们能进入谷物根瘤。所有3种方法的某种组合可能是最有希望的成功途径。这需要深入理解植物和微生物之间的分子对话，以及开发能够促进这种关系的工程微生物。面临的挑战包括：确保这些改造后的微生物在农业环境中安全、有效，并且对非目标生物没有负面影响；公众对转基因生物的接受度也需要予以考虑，需要透明的沟通和严格的安全评估。

3、未来时尚

时尚产业是世界上最大的污染源之一，占全球气候变暖碳排放的2%~8%，全球清洁水污染的20%是由纺织品染色和处理造成的。大多数服装由来自化石燃料的合成材料制成，这些材料不可生物降解，可能对环境和健康构成重大风险。该领域的愿景是：每一件服装都具有极低的环境成本。服装由来自再生资源的纤维和纱线制成，鞋子在当地用来自弹性供应链的部件组装而成。即使一件衣服被意外丢弃到环境中，它也会安全地生物降解，不会留下任何痕迹。

未来工作：通过工程生物学创造出具有大量结构和功能特性的生物材料，这些材料是从纳米级开始构建的。纺织品可以进行调整，以修改和改善质地、柔软度、透气性、耐温性或耐湿性等功能。类似皮革的材料将直接模仿动物皮革的成分、铜绿和磨损，这与聚酯或聚氨酯等合成材料不同，它们会随着时间的推移而脱落、剥落和开裂。随着制造规模的扩大，这些新材料与合成材料相比越来越具有成本竞争力，并且在获得支持的情况下，从长远来看，它们可能会更便宜。面临的挑战包括：成本是将工程生物学应用于时尚界的重大障碍，目前这些生物基材料比合成材料更昂贵；消费者的接受度可能会带来另一个挑战，因为一些消费者可能不愿意穿由微生物衍生材料制成的衣服。

4、实验室培育血液

目前几乎完全依赖人类血液捐赠来满足出血、贫血或疾病等医疗需求，但血液输血服务面临重大限制。该领域的愿景是：实现实验室培育的血液的大规模生产和按需供应，与多种血型高度兼容，且无疾病传播风险，更易于储存。

未来工作：合成生物学、自动化和先进材料技术的融合为投资提供了恰当时机。未来发展将包括3个主要步骤：扩大生产，开发可扩展的血液生产工艺和生物反应器，能够生产临床相关体积的实验室培养红细胞；临床验证，进行1期和2期临床试验，以确定来自细胞系或其他等效细胞来源的实验室培养血液制品的安全性和有效性；监管框架，与监管机构合作，为实验室培养血液的生产、检测和分配制定指南和标准。

5、微生物金属工厂

金属对于可持续能源技术至关重要。到2040年，镍和钴的需求将增加25倍，稀土元素需求将增加7倍，能源转型技术的铜需求将增加两倍。大多数金属是从矿石中提取的，传统采矿作业对环境造成破坏，且资源有限。与此同时，提高关键金属回收率的尝试也面临重大障碍，现有回收方法往往低效且对环境有害。该领域的愿景是：利用经过改造的微生物从电子废物中提取和回收金属，使社会不再依赖有害的采矿作业。安全的国内生物回收金属供应可减少对进口的依赖，为绿色能源技术提供动力。

未来工作：加深对微生物如何聚集这些金属并将它们转化为纳米颗粒的基本知识，然后转化为工程生物学的实际进展。可能的时间表里程碑：2025~2030年，实验室规模的实验，以优化特定金属提取的微生物菌株，利用国家在DNA构建、菌株检测和人工智能辅助学习方面的能力。2030~2035年，扩大先进生物反应器设施的运营，通过监管审批程序；继续发展与废物管理和采矿公司的跨学科伙伴关系，以创建结合生物和传统方法的混合系统。2035~2040年，实现可持续采矿和微生物回收技术的全面部署和商业化，并在全球范围内得到广泛采用。面临的挑战包括：必须适当控制工程微生物，以避免任何潜在的生态影响；公众对转基因生物的担忧可能会成为其更广泛用于金属回收的障碍；私人投资可能足以生产最有价值和最关键的金属，但也需要持续的公共投资来充分利用这一机会。

（郑颖）