當瓦特手中的蒸汽機噴薄出第一縷工業(yè)文明的曙光，人類歷史的車輪便煥然新生。而今，數(shù)字化浪潮正以排山倒海之勢奔涌而來，拉開了“第四次工業(yè)革命”的帷幕。在中國工程院院士鄭裕國看來，這場變革以人工智能、生物技術等為突破點，其中，合成生物制造扮演著關鍵角色。

合成生物制造將為精細化工行業(yè)帶來怎樣的變革，又將如何重塑工業(yè)產品生產流程？近日，鄭裕國分享了自己的觀點。

引領“第四次工業(yè)革命”

“第一次工業(yè)革命以蒸汽機作為動力機廣泛使用為標志，第二次工業(yè)革命以電力的發(fā)現(xiàn)和廣泛應用為標志，第三次工業(yè)革命以原子能、電子計算機等技術的發(fā)明為標志?，F(xiàn)在，第三次工業(yè)革命仍在進行過程中，但我認為，第四次工業(yè)革命也正在發(fā)生?！编嵲劦?，“第四次工業(yè)革命正以人工智能、新材料、分子工程、虛擬現(xiàn)實、量子信息、生物技術等為突破口，以提高資源生產率、減少污染排放、改變生活方式為實質特征?！?/p>

那么，這場革命的核心領域究竟在哪里？誰又將引領這場變革？鄭裕國將答案指向了一個交叉學科——合成生物制造。

他闡釋道，“合成生物學”是指采用工程化設計理念，對細胞進行定向設計、改造乃至重新合成，從而突破自然生命進化規(guī)律，重塑自然生產線。其目標直指物質的高效定向合成與精準轉化?！昂铣缮镏圃臁眲t是以多學科融合交叉為技術手段，改造或創(chuàng)造自然功能的生命體及生物組分，通過過程和系統(tǒng)強化，實現(xiàn)物質的高效合成與精準轉化，再造產品大規(guī)模生產流程，創(chuàng)造經濟價值和社會效益的未來產業(yè)。

鄭裕國說：“尤其是在醫(yī)藥、農藥、食品等精細化工領域，合成生物制造正催生新產業(yè)、創(chuàng)建新模式、建立新動能，推動這些工業(yè)領域向綠色低碳、無毒低毒、可持續(xù)發(fā)展模式轉型。這不僅是技術路線的革新，更是一場生產關系的革命?！?/p>

工業(yè)制造的綠色選項

盡管合成生物制造是未來產業(yè)，鄭裕國表示，它已經在為精細化工行業(yè)帶來變革。

據(jù)鄭裕國介紹，與石化路線相比，合成生物制造產品平均節(jié)能減排30%～50%，未來潛力將達到50%～70%。他以工業(yè)催化劑為例作進一步說明。在醫(yī)藥、農藥、食品、染料、化工等多個工業(yè)領域，全球至少有4.2萬種原料和化學中間體是依賴催化劑直接或間接合成的。其中，許多貴金屬和非貴金屬催化劑來自礦產，屬于不可再生資源，且開采成本高?！拔覀兛梢岳昧畠r的、可再生的活性蛋白質作為生物催化劑替代化學催化劑，讓生物轉化替代化學轉化過程，既實現(xiàn)催化劑原料的替代，又實現(xiàn)綠色低碳生產?！编嵲f。

這一替代技術已得到工程化驗證?！白畛晒Φ囊粋€例子就是丙烯腈通過腈水合酶生成丙烯酰胺。20世紀80年代，沈寅初院士獲得腈水合酶微生物菌種，進而實現(xiàn)大規(guī)模生產，當時第一套工業(yè)化裝置就建在東營?！彼f，“腈水合酶替代原來的銅催化劑，降低了反應溫度，促成丙烯酰胺的大規(guī)模生產，繼而生產聚丙烯酰胺，用于水處理、石油開采等多個行業(yè)?！?/p>

在此過程中，生物制造將化工行業(yè)從高度依賴化石原料和高污染、高排放的模式，升級為綠色、低碳、循環(huán)可持續(xù)發(fā)展。從資源分子向功能分子的精準轉化，更大程度地發(fā)揮了原子經濟性。

前景廣闊的藍海市場

鄭裕國指出，合成生物制造正在成為先進制造業(yè)的核心構成，是新發(fā)展格局中的重要產業(yè)板塊。2023年，以合成生物學技術為引領的市場規(guī)模達170億美元，年復合增長率為28.8%。據(jù)預測，到本世紀末，生物制造有望創(chuàng)造數(shù)十萬億美元的經濟價值。

具體而言，鄭裕國闡述了2種物質生產新模式：一是構建高效微生物細胞工廠。采用工程化、智能化設計理念，對細胞進行定向設計、改造乃至重新合成，實現(xiàn)物質的綠色高效合成，對原料、過程進行全替代。二是構建高效產酶細胞。利用酶或含酶生物細胞作為催化劑進行物質轉化，用于重構、替代與強化化學品的生產過程。

理論優(yōu)勢如何轉化為產業(yè)實踐？L-蛋氨酸的生物合成路線提供了典范答案。作為生物體必需氨基酸中唯一的含硫氨基酸，其在食品、醫(yī)藥、飼料等領域需求激增。2023年全球L-蛋氨酸市場需求約170萬噸，約330億元。該產業(yè)已步入市場黃金期，卻也面臨著來自生產技術和成本的挑戰(zhàn)。鄭裕國團隊創(chuàng)新開發(fā)“發(fā)酵-酶催化”耦聯(lián)高效合成L-蛋氨酸技術，通過合成生物學關鍵技術構建L-蛋氨酸前體細胞工廠，耦聯(lián)高產巰基轉移產酶細胞，實現(xiàn)L-蛋氨酸的高效生產，是目前最可行的生物合成路線。

據(jù)悉，該路線可以實現(xiàn)前體（OSH）穩(wěn)定生產，達到產量140g/L以上，糖酸轉化率80%以上，處于國際領先水平。團隊還以合成生物制造推動糖尿病治療藥、心腦血管疾病治療藥、神經退行性疾病治療藥、抗感染藥等的發(fā)展。

這些成功示范正在引發(fā)整個產業(yè)鏈的變革。依托鄭裕國團隊技術，江蘇利民股份打造出全球首條萬噸級氣相合成—多酶催化生產高光學純L-草銨膦生產線；浙江樂普藥業(yè)建成我國首條阿托伐他汀鈣化學-酶法合成生產線；氨基酸、特種維生素、功能性糖和糖醇實現(xiàn)大規(guī)模生產……依托院士專家工作站、浙工大—企業(yè)共創(chuàng)研究中心、政校企共建的地方研究院、項目合作開發(fā)、成果轉化等“政產學研”合作模式，將實驗室成果推向產業(yè)化，支撐了“長三角合成生物制造大走廊”的發(fā)展。2024年，大走廊實現(xiàn)總營收達近千億，且規(guī)模還在持續(xù)擴大，影響力向全國延伸。

“合成生物制造正在改變著物質的生產方式，實現(xiàn)生產原料、制造過程、產品性質的重大革新。通過建立低污染、低能耗、高原子經濟性的產品生產路線，降低碳排放、提高生產效率，這項技術將引領工業(yè)制造新的產業(yè)革命?！编嵲雇溃昂铣缮镏圃煲I形成的新型工業(yè)體系正加速形成新質生產力，必將支撐國民經濟的快速發(fā)展?！?/p>