生物技术将是东西方之间的下一个重大竞赛，我们准备好了吗？
美国和中国都提出了国家生物技术战略。以下是可能出现的颠覆性变化的一些想法。
2023年3月，美国政府宣布了美国国家生物战略的雄心勃勃的新方向。
美国的生物经济——包括从研发疫苗到利用生物系统生产塑料和燃料等一切——正蓬勃发展。《福布斯》杂志在2022年9月的一篇文章中指出，这个行业的价值接近一万亿美元，并预计在未来二十年内全球市场规模将增长到30万亿美元。
美国推进生物技术和生物制造的行政命令旨在加强供应链、解决健康问题和应对气候变化。它概述了几个关键目标，包括：
1) 气候：在20年内用生物基原料制造的聚合物取代今天的90%塑料和其他聚合物。
2) 食品和农业：到2030年，将美国的温室气体排放减少50%，全球减少30%。
3) 供应链：在20年内通过可持续和成本效益的生物制造方式，满足美国超过30%的化学需求。
4) 健康：在20年内将基于细胞的治疗的制造成本降低10倍。
5) 跨领域优势：在5年内对100万种微生物物种进行基因组测序，并了解80%以上新发现基因的功能。
东西方生物技术竞争
但美国并不是唯一一个将资源投入生物经济的国家。美国科学家联合会的高级研究员迈克尔·A·费舍尔警告说，美国可能会在中国等国家面前失去优势。
“中国旨在主导21世纪的生物经济，并在其五年计划中将生物经济的增长置于优先位置。从2016年到2021年7月，中国上市生物制药创新企业的市值在几个主要证券交易所上涨了大约127倍，达到3800多亿美元，其中生物技术公司占据了超过47%的估值。”他在同一篇《福布斯》文章中说。
“生物技术和生物制造领域是东西方之间的下一个大竞赛。”
在材料领域，整个行业需要为未来10到20年的中断做好充分准备。
实现生物技术目标面临挑战
实现生物经济战略设定的目标将是具有挑战性的。例如，如果我们想用生物制造替代90%的塑料，包括巴斯夫、沙特基础工业、阿克玛等化学行业领军企业将不得不大幅改变其工业过程。至少要使供应链中30%的化学需求来自生物制造，就需要从今天开始制定生物基资源的计划。
要在5年内对100万种微生物进行基因测序并了解其中80%的功能，意味着整个生物工程过程需要加速发展技术。
行业面临整个范式的转变
以塑料制造为例。目前，石油作为塑料原料比使用生物工程聚合物更便宜。对于许多消费品品牌来说，基于石油的塑料包装始终是他们的首选。改变需要时间，希望20年足够降低价格：这需要在研究中取得突破，开发出成本效益高、大规模生产的原料。
在西方市场上，有许多合成生物学初创公司致力于改变传统产品和流程，改变物质世界，并为生物制造业做出贡献，涵盖了食品、化妆品、健康和健康领域 – 但目前没有一家公司盈利。
合成生物学加速发展
合成生物学（synbio）推动了许多全球生物技术和生物制造目标的实现。
合成生物学的过程是基于对植物、动物或微生物细胞进行工程处理，有效地将其转变为“细胞工厂”。根据巴克莱银行的一份报告，研究人员对基因组的了解越多，就能够编程DNA，就像软件工程师可以编程计算机一样。
合成生物学利用基因工程来改变细胞的DNA，以制造各行各业所需的目标分子。它在医疗保健领域发挥作用，在能源领域显示出潜力，并在消费品领域获得了越来越多的关注。
合成生物学吸引了越来越多的风险投资，特别是在过去几年中。它获得关注的一个原因是计算能力的进步。生物信息学与计算机科学、人工智能和机器学习的力量结合，再加上化学、物理学、分子生物学、农业和工程科学，共同创造出新的基于生物的解决方案。
合成生物学公司处于设计、构建、测试和学习（DBTL）的发展周期中。与传统化学不同，这个领域涉及到活体生物。在研发阶段，科学家们花费时间和精力来开发、测试和研究改变基因组、微生物、酶的效果，最终进行合成工程。
新的基因组编辑技术，如CRISPR-Cas9，有助于创建新的DNA组合，降低了编辑DNA的成本，并增加了可以无误复制的DNA链的长度。现在，甚至可以在不使用活细胞的情况下进行合成生物学，只需使用代谢细胞过程，可以加快测试过程。
理论上，通过合成生物学，供应可能不再受到原材料的限制。正如波士顿咨询的一份出版物所说：“公司可以通过细胞去构建和合成无限数量的物品。半克的牛肌肉可以制造出44亿磅的牛肉-超过墨西哥一年的消费量。”
尽管合成生物学似乎是追求完全有机、可持续发展和低碳未来的魔法棒，但它仍面临着需要“加快速度”的挑战。
合成生物学的两种发展方法：全细胞和无细胞
有两种方法可以通过合成生物学开发工程生物材料-通过活细胞或合成细胞，也被称为：全细胞和无细胞。
(1) 全细胞（体内/活细胞）
在传统的发酵过程中使用活细胞（全细胞），科学家从设计开始，然后构建微生物，测试它们，然后检查/记录结果。整个循环重复进行，直到达到期望的结果-或者如果没有达到预期，将重新探索设计。
在传统的全细胞过程中，反应器容纳微生物的容量是有限的。整个发酵过程非常复杂，也会受到培养过程中能否控制其余变量的影响。如果控制不好，批次可能会一系列影响导致失败。
这意味着每次实验可以生产的化学品数量受到了严格的限制。发酵后，需要分解细胞，然后纯化以提取结果。这非常复杂、耗时、人工劳动繁琐，因此成本非常高。
全细胞方法需要在整个发展过程中保持细胞存活。还需要通过一种称为蛋白质纯化的过程将产品与细胞的其他部分隔离开来（因为细胞有自己保持存活的过程），并且仅限于对细胞无毒的产品。
另一种方法是尽可能使过程无机化，也称为“无细胞”路径。
(2) 无细胞（体外/合成细胞）
加速合成生物学发展的新风向是无细胞过程。可以在没有微生物环境的情况下进行相同的过程-时间更短，复杂性更低。但是目前技术仍然存在一些问题，其中之一即成本较高。
无细胞系统通常被定义为在没有活细胞的情况下进行生化反应的平台。根据制备方法，无细胞系统分为两种类型：基于提取物类（无细胞合成）和酶合成。
无细胞过程是一种合成过程，复制了活细胞的基本功能——用科学术语来说，可以将单体（糖、氨基酸、脂肪酸和核苷酸）转化为更复杂的聚合物，且没有体积限制。与传统的全细胞（有机过程）相比，无细胞过程使研究人员能够获得高达90%的产量，而不是传统的20%，无细胞平台可以不受维持生命的限制。
例如，科学家通常需要研究膜蛋白用以研究模型。基于活体有机结构，膜和蛋白质是共存的，意味着在研究中两者都需要存在。如果膜和蛋白分离，模型将无法以生命中应有的方式发展。然而，无细胞过程使研究人员能够在没有膜的情况下研究、开发蛋白质。
因此，通过无细胞模式，科学家可以轻松控制和进行体外生物系统中的蛋白质合成，并运用代谢操作以实现廉价的ATP生成，或者引入非天然氨基酸（对NMR研究有用）。无细胞合成是使用重组元素进行蛋白质合成的方法，用于研究中的蛋白质制备。
对比两种方法
与全细胞模式相比，无细胞模式使得设计、构建、测试和学习（DBTL过程）保持不变，但不受全细胞模式的有机要求的限制。根据国家医学图书馆的参考，这张表清楚地显示了无细胞和全细胞过程之间的区别：
无细胞合成是获取细胞中转录和翻译所需的基本组分，在体外添加DNA模板以维持基因转录、蛋白质翻译或代谢过程运转，从而合成目标产品的一种合成生物学技术。无细胞合成生物学（cell-free syntheticbiology—CFSE）去除了细胞膜，可直接调控细胞内部生命活动；去除了天然基因组，消除了非必需基因调控，将细胞生长和核心代谢调控解耦；系统开放，无物质运输障碍，易于添加底物、去除产物并对过程进行监测分析，具有工程化最大的自由度，在基础学科及工程应用中可以发挥重要的作用，揭示了蛋白质翻译机制等生命体系，在结构生物学、高通量筛选、生物催化、生物医药等领域均有广泛应用潜力。
很明显，无细胞模式有更多的好处。然而，全细胞模式也有其独特的优势，最突出的是低成本。当然，一种方法是接受并结合这两种过程：合成途径可以首先在无细胞系统中进行设计、测试和优化，然后再移植到活细胞中进行进一步的优化，最后进行规模的扩大。
对于合成生物学产业的产品要取得成功，必须考虑波士顿咨询报告中提到的两个领域：
1. 市场规模化时间
(1a) 规模。技术需要先在实验室中得到验证，然后在生物反应器中进行规模化，这是一个里程碑。超过90%的合成生物学突破失败是因为无法进行规模化。不同的细胞类型对规模化有不同的反应。以酵母为例：在生物反应器中，至少需要600千升每年才能称为规模化，而动物细胞只需要45千升。规模化需要时间和努力。行业惯例是对全过程进行1000小时的运行时间。
(1b) 成本。初创企业的目标是降低制造成本或降低过程所需原料（例如生物基塑料取代石油基塑料的可能性）。例如，降低成本的方法可以是将设备设立在原材料附近。
2. 应用
这是关于新技术被接纳的程度。取决于国家政策、行业集中度、投资、产品性质、稀缺性等的综合体。应用程度还取决于支持生态系统的成熟度，如科学人才、学术合作伙伴和供应链等。
中国的合成生物学领域
除了研究全球生物技术公司外，我们还研究了中国合成生物学行业的数十家初创企业。根据数据，我们将中国的合成生物学初创企业划分为两个领域：平台与产品。这些企业基本在市场上已经设立了约5年左右。
尽管中国的合成生物学公司涵盖了无细胞和全细胞模式，但我们尚未遇到在无细胞领域拥有超过5亿美元产品的初创公司。
无细胞模式在材料行业中提供了更广泛的可能性。但其中最大的阻碍仍然是成本。全细胞模式在研发方面更加经济实惠和可行，即使它们在处理上可能比较繁琐和耗时，这也是阻碍生物材料发展进展的原因之一。
合成生物学正处于自己的“DBTL阶段”
因此，整个合成生物学行业本身正处于设计、构建、测试、学习的阶段——不断循环，直到能够以极高的效率实现突破，支持未来二十年或更短时间内的生物经济所需的突破。但是，随着人工智能、计算技术、生产技术的不断进步，最重要的是采用无细胞格式，实现这些大胆目标并不是一个遥不可及的梦想。