从刀耕火种开始，到机器轰鸣、移山填海，人类活动对全球气候变化的影响从未停止。如果说工业革命释放的二氧化碳，让200多年后的地球不断变暖，那么如今科学界掀起的另一场“革命”，正在试图守住人类生存的未来。

合成生物学——一场面向生命的“工业革命”，也叫“第三次生物技术革命”，倾注了世界各国的厚望，被认为是实现绿色、低碳、可持续发展，解决气候与环境问题的重要途径。

近日，西湖大学合成生物学与生物智造中心正式启用运行，德国工程院院士、合成生物学及生物工程讲席教授曾安平任中心创始主任。

作为校级研究中心，西湖大学合成生物学与生物智造中心将聚焦于新一代生物药物、生物材料，以及基于二氧化碳和太阳能的大规模绿色生物制造核心技术，结合生命科学、生物工程、材料科学、绿色化学与人工智能等学科力量，开展交叉学科基础研究。

这门看似与气候关系不大的前沿学科，其实距离我们普通人的生活非常近。

曾安平与合成生物学与生物智造中心

60%与6% 

什么是合成生物学

在一场面向公众的科普讲座中，曾安平用一组数字对比，介绍合成生物学的巨大潜力：

“理论上，全球60%以上的重要化学品、燃料、天然产物及原材料等，都可以采取生物合成的方法得到；但事实上，目前真正实现的生物合成制造只有不到6%。”

6%至60%之间的空间，是一个由前沿学科突破而打开的全新市场。有投资机构评估这片“蓝海”潜在价值接近30万亿美元，占全球制造业产出的三分之一以上，其“生物制造”范围涵盖医药、农业、食品、化工、材料等领域，几乎可以在衣食住行各方面“承包”我们的生活。

正因如此，合成生物学及其带来的生物制造与生物经济概念，正在成为国际战略竞争热点。美国在今年9月签署“国家生物技术和生物制造计划”，欧盟将其列为“未来的关键技术”，中国也将其列为战略性前瞻性重点发展方向。而与它并列的，是脑科学、量子信息、超材料等同样具有颠覆性应用前景的领域。

2013年，“基因魔剪”CRISPR的出现，大大降低了基因编辑的难度和成本，也彻底改变了合成生物学。

我们可以把合成生物学理解为生命基因的设计组装。当科学家用工程的理念和技术去研究生命科学，他们眼里的生命是由一个个标准化“零件”组成的。过去，科学家们只是研究这些“零件”如何运转，而现在已经可以拆解、重组、批量生产，甚至可以从无到有地设计出特定的、非天然功能的“生命零件”。

在合成生物学构建的一个个“分子机器”和“细胞工厂”里，放进去的是设计好的“生命零件”——这是从零到一的过程；经过生化合成、产品分离、产品改性等一系列过程后，批量生产出来的是全新的生物制品——这是从一到一百的过程。

也就是说，合成生物学可以根据人们的实际需要，无中生有地创造产品。

比如，席卷全球的新冠病毒大流行中，合成生物学已然成为药物与疫苗研发的主要力量之一；随着人工淀粉合成与合成肉在实验室里成为可能，为全人类应对粮食危机提供了合成生物学的解决方案；如果我们把眼光放得更远，以二氧化碳和生物质为原料的低碳生物合成，将有可能成为全球碳中和的必经之路，在能源、气候等重大挑战中发挥重要作用。

碳1到碳x 

交叉学科的创新力

从生命科学到工程解决方案，西湖大学学科交叉的科研理念，正好为合成生物学这一学科高度融合与交叉的领域提供了发展空间。

西湖大学合成生物学与生物智造中心以工学院为依托，联合生命学院和理学院共同建设，其领衔者曾安平教授的研究方向，包括工业生物技术、动物细胞培养技术、蛋白质工程、系统代谢及合成生物学等。截至目前，已有10余位跨学科PI（特聘研究员、博导）以中心为平台，开展多项学科交叉的合作项目；2022年国家重点研发计划“合成生物学”重点专项中，有“人工光合固碳”和“高效氢电人工生物装置的设计组装”两项由西湖大学主导。

以曾安平实验室的研究方向为例，我们可以看出交叉学科的创新活力。

打开实验室网站（https://synbio-zeng.lab.westlake.edu.cn/index.htm），首页展示的是一组齿轮，这是他们聚焦的核心科学问题和工程技术挑战——碳1-碳x代谢系统（尤其是碳1-3代谢系统）的调控机制及人工设计。

而从这组齿轮中衍生出来的，是实验室的四个方面课题，分别是碳1-碳X合成生物学基础、绿色化合物生物智造、催化软物质合成生物学、生物医药及生物材料智造。

“一生二、二生三、三生万物。”曾安平说，碳1-碳3代谢系统是生命最核心的物质代谢，也是能量代谢的关键步骤，并涉及核酸的生物合成。“通过对碳1-碳X代谢的深入研究，可以为癌症、神经退行性疾病等难治之症提供诊断和治疗的新思路和新靶点，我们希望通过系统性的定量化和人工设计优化，开发出新颖人工细胞和新一代生物制造技术。”

两年前，曾安平团队首次发现一个酶蛋白具有环境相应的可逆相变现象，能够形成单一组分、具有生物催化活性的罕见水凝胶。这个偶然的科学发现，为他们进一步围绕碳1-碳3代谢开展基础及应用研究提供了难得的机遇，也将助力针对上述疾病的抗体类药物研发和高效制造。

同时，一个全新的研究领域——催化智能软物质合成生物学，也就此打开。

“我们会将碳1-碳x合成生物学与催化软物质合成生物学相结合，探索其在智能生物材料、生物催化合成、生物医学和未来食品开发方面的新颖应用，如3D生物结构打印、智能生物反应器、新一代mRNA药物、基因治疗新工具、人造肉、美容保健等。”曾安平说。

团队人员正在操作高通量自动化生物合成反应器

20年与1.5℃ 

未来属于天空

去年夏天，联合国政府间气候变化专门委员会发布了一项令人沮丧的报告：即使在温室气体排放大幅削减的情况下，全球变暖幅度也有可能在未来20年内达到1.5摄氏度；7年前的《巴黎协定》，也曾把1.5摄氏度作为我们应努力控制的“红线”。一旦超越，干旱、洪涝、极端高温、风暴等极端天气有可能在全球各地频现。

如何把空气中的温室气体，比如二氧化碳“捕捉”下来，最好还能变废为宝？合成生物学家早已开始考虑。

碳1到碳X，虽与生命的起源与代谢息息相关，但顾名思义也是一个与双碳目标紧密相关的研究方向。同样的，中心正在进行的多项研究成果，尽管具体应用领域各异，但从碳资源转化利用来讲，都是在为绿色制造及碳中和助力，对人类社会可持续发展具有重要意义。

其中最为直接的一个研究目标，是大气生物合成技术，即利用阳光（电）和大气（二氧化碳、氮气和水），合成基础原料、绿色化学品、未来食品等。

团队人员正在操作蛋白质分离纯化

比尔·盖茨在《气候经济与人类未来》一书中描述过类似的技术——不论二氧化碳在何时何地产生，我们都可以捕获它。但如何开发利用空气中浓度极低的二氧化碳，并实现相关生物制造技术工程化，仍是科学家和工程师们所面临的挑战。

同时，中心的团队也在以养殖业为例，探索如何回收利用含碳、氨的废气和废水，利用生物合成技术制备氨基酸及饲料，实现养殖企业的碳中和。

一个实际应用到规模工业生产的案例是，在饲料进口供应压力大、国家农村部大力实施豆粕减量替代行动的背景下，西湖大学张科春实验室采用合成生物学方法，成功开发出低蛋白日粮新品种并量产成功。相较业界现有水平，新产品的产量和产率表现优异，能够帮助养殖企业节粮降耗，助力保障国家粮食安全。

今年9月，央视播出的《开学第一课》，展示了青藏高原海拔6500米处钻取的高原冰芯。它记录了气候环境的微妙变化，也冰冻了人类的活动足迹。

如果说冰层是地球档案的储存条，收藏了关于这个星球的历史，那么在许多合成生物学研究学者眼里，冰层之上的天空正承载着人类未来的可能性。

“脚踏实地，仰望天空。”曾安平这样形容他们的工作。