譚天偉

圖①：生物制造流程示意圖。 圖②：生物航煤樣品。 圖③：生物基塑料樣品。

自動(dòng)化高通量菌種篩選設(shè)施。 本版圖片均為北京化工大學(xué)提供

網(wǎng)友：最近，生物制造成了熱詞。我很好奇，什么是生物制造？它如何改變我們的生活？

編輯：當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，以生物制造等為代表的新興產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)培育發(fā)展新動(dòng)能、打造發(fā)展新優(yōu)勢(shì)的重要領(lǐng)域，正在悄然改變著我們的生產(chǎn)與生活。本期“院士講科普”，我們邀請(qǐng)中國(guó)工程院院士、北京化工大學(xué)校長(zhǎng)譚天偉，談?wù)勆镏圃烊绾沃窃煳磥?lái)。

“有生命的工廠”開(kāi)辟新的制造路徑

說(shuō)起“制造”，人們通常會(huì)想到機(jī)器轟鳴、機(jī)械臂舞動(dòng)的鋼鐵工廠。然而，有一種“制造”卻截然不同，是“有生命的工廠”——這就是生物制造。

所謂生物制造，就是利用微生物、動(dòng)物或植物細(xì)胞等生命單元，通過(guò)設(shè)計(jì)、改造、控制它們的代謝路徑，生產(chǎn)人們想要的物質(zhì)。簡(jiǎn)而言之，生物制造就是讓生命來(lái)“造東西”。

比如，傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)是讓酵母生產(chǎn)酒，而利用現(xiàn)代生物制造技術(shù)，科學(xué)家可以讓它生產(chǎn)藥物分子、香料、塑料甚至燃料。可以說(shuō)，生物制造是傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)與合成生物學(xué)的結(jié)合，它不再依賴(lài)石油、煤炭等，而是以糖、秸稈、二氧化碳等可再生資源為原料，生產(chǎn)人類(lèi)日常生活所需的材料和化學(xué)品。

生物制造之所以被稱(chēng)為未來(lái)產(chǎn)業(yè)，在于它不是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的延展，而是另辟了一條以生命為動(dòng)力的制造路徑。這條路重要在哪里？

首先，生物制造是助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)抓手。傳統(tǒng)制造業(yè)以石油、煤炭等化石資源為基礎(chǔ)，而生物制造用的是糖、淀粉、二氧化碳等可再生資源。微生物在生物反應(yīng)器中“吃”掉這些原料，代謝出高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了“以生替化”“以碳養(yǎng)碳”。

其次，生物制造的原料更廣泛、過(guò)程更綠色、生產(chǎn)更智能。生物制造用生命的智慧取代一般的工藝流程，讓工廠更像“生態(tài)系統(tǒng)”，制造過(guò)程更高效、智能。例如，二氧化碳可被轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品；農(nóng)作物秸稈能被“吃”成可降解塑料；菌種可生產(chǎn)藥物、香料、纖維。

更重要的是，借助人工智能與合成生物學(xué)，科學(xué)家可以“編程生命”：像寫(xiě)代碼一樣設(shè)計(jì)微生物的基因，讓其按照人類(lèi)的需求生產(chǎn)特定分子。這種“可編程制造”，讓生物制造釋放更大的潛力。

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2050年，全球約60%的工業(yè)產(chǎn)品可通過(guò)生物制造生產(chǎn)。生物制造未來(lái)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值或?qū)⒊^(guò)30萬(wàn)億美元。

我國(guó)正加快布局生物制造產(chǎn)業(yè)。2024年《政府工作報(bào)告》提出積極打造生物制造等新增長(zhǎng)引擎；“十五五”規(guī)劃建議提出“前瞻布局未來(lái)產(chǎn)業(yè)”，推動(dòng)生物制造等成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。如今，我國(guó)在發(fā)酵產(chǎn)能、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、工程化經(jīng)驗(yàn)等方面已具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，有望在這場(chǎng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中占據(jù)重要位置。

生物制造改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)的邏輯

如果說(shuō)工業(yè)革命讓機(jī)器替代了手工，那么生物制造就是讓生命替代機(jī)器。生物制造正融入我們生活的方方面面，并悄然改變著生產(chǎn)的邏輯。

在實(shí)驗(yàn)室里“種”肉、在發(fā)酵罐里“造”蛋白，這聽(tīng)起來(lái)像科幻，但已成為現(xiàn)實(shí)。通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)和微生物發(fā)酵技術(shù)，無(wú)需通過(guò)養(yǎng)殖，即可培育出口感和營(yíng)養(yǎng)都與真正肉類(lèi)相似的“細(xì)胞肉”。這種生產(chǎn)方式不僅節(jié)約資源，還能顯著減少甲烷排放，為糧食安全和生態(tài)平衡提供了新方案。此外，微生物蛋白、合成乳制品、植物基食品等新型食材也正被擺上餐桌。

時(shí)尚產(chǎn)業(yè)是碳排放大戶(hù)，生物制造則為“綠色時(shí)尚”提供了可能。科學(xué)家已能讓細(xì)菌“吐出”絲蛋白，做成柔軟耐磨的生物絲綢；藻類(lèi)和真菌能合成可降解纖維，替代聚酯、尼龍等石化紡織品。一些品牌正嘗試用菌絲皮革制作包袋、鞋子，這種“會(huì)呼吸的皮革”無(wú)需使用動(dòng)物毛皮，且能被自然降解。

在建筑領(lǐng)域，科學(xué)家利用“生物磚”技術(shù)，讓真菌菌絲和礦物顆粒結(jié)合，形成堅(jiān)硬、輕質(zhì)的磚塊。這些磚在潮濕環(huán)境下能自我修復(fù)、吸收二氧化碳。再配合生物基涂料、生物膠黏劑，未來(lái)的建筑或?qū)⒊蔀椤熬G色生命體”，既環(huán)保又安全。

未來(lái)的汽車(chē)、飛機(jī)，可能用上“二氧化碳做的油”。某些特殊菌種能“吃”二氧化碳、“吐”出乙醇或航空燃料。目前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)生物基航空燃料的商業(yè)試飛。此外，生物制造還能生產(chǎn)高性能潤(rùn)滑油、輪胎橡膠等材料，讓交通出行實(shí)現(xiàn)綠色化。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物制造正在重塑藥物的生產(chǎn)方式。過(guò)去需要幾百個(gè)工序才能合成的藥物分子，如今微生物幾天就能完成。更先進(jìn)的合成生物學(xué)還能讓細(xì)胞生產(chǎn)個(gè)體化藥物，如CAR—T細(xì)胞療法、基因編輯藥物、重組蛋白藥物等，讓治療更加精準(zhǔn)、高效。未來(lái)，醫(yī)生或許能直接在醫(yī)院里“打印”藥物和組織器官，提供個(gè)性化醫(yī)療。

構(gòu)建自主可控的技術(shù)底座是難題

挑戰(zhàn)一：補(bǔ)齊底層能力，創(chuàng)新體系亟待突破。生物制造的重點(diǎn)在于“設(shè)計(jì)生命”，這需要強(qiáng)大的底層能力：基因編輯工具、菌種設(shè)計(jì)算法、酶工程技術(shù)、代謝路徑數(shù)據(jù)庫(kù)等，但這些是目前我國(guó)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。核心菌種仍多依賴(lài)國(guó)外資源；關(guān)鍵酶和生物反應(yīng)器部分零部件尚需進(jìn)口；工業(yè)級(jí)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)尚未完全建立。要實(shí)現(xiàn)真正的“生命智造”，必須攻克這些基礎(chǔ)性難題，構(gòu)建自主可控的技術(shù)底座。

挑戰(zhàn)二：科研成果產(chǎn)業(yè)化落地存在困難。很多生物制造技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)成熟，但在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中卻卡在中試階段。生物反應(yīng)過(guò)程極其復(fù)雜，菌種在小試時(shí)活躍，到大規(guī)模發(fā)酵罐中卻“罷工”；成本控制、穩(wěn)定性、安全性等也是經(jīng)常面臨的問(wèn)題。目前，我國(guó)正在加快建設(shè)國(guó)家級(jí)中試驗(yàn)證平臺(tái)，推動(dòng)科研與產(chǎn)業(yè)銜接。未來(lái)，這些平臺(tái)將成為生物制造從“論文”變成“產(chǎn)品”的橋梁，讓更多科研成果走向市場(chǎng)。

挑戰(zhàn)三：政策與標(biāo)準(zhǔn)體系需持續(xù)探索。新技術(shù)要進(jìn)入生活，離不開(kāi)制度保障。目前，生物基產(chǎn)品的低碳認(rèn)證、生物安全評(píng)估、市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制仍待細(xì)化。如何量化生物制造產(chǎn)品的碳減排貢獻(xiàn)？如何評(píng)估合成微生物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)？這些都需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

“人工智能+”“碳循環(huán)制造”“跨界融合”是趨勢(shì)

趨勢(shì)一：“人工智能+生物制造”——讓“設(shè)計(jì)生命”像寫(xiě)代碼。人工智能正在成為生物制造的新引擎。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)基因突變效果、優(yōu)化代謝路徑、快速篩選高產(chǎn)菌株。以前改良一個(gè)菌種需要幾年時(shí)間，通過(guò)人工智能可以把時(shí)間縮短到幾周。

趨勢(shì)二：碳循環(huán)制造——從“碳消耗”邁向“碳循環(huán)”。以二氧化碳為原料的“碳捕集+生物轉(zhuǎn)化”技術(shù)已取得重大突破。未來(lái)，越來(lái)越多工廠不僅不用排放二氧化碳，還能“吃碳吐產(chǎn)品”。這意味著制造業(yè)或?qū)摹疤枷摹边~向“碳循環(huán)”。

趨勢(shì)三：跨界融合——從單一技術(shù)到生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)的生物制造將不再是單一技術(shù)，而是一個(gè)多學(xué)科融合的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)：生物學(xué)與材料科學(xué)結(jié)合，催生新型生物材料；生物技術(shù)與能源產(chǎn)業(yè)結(jié)合，形成綠色燃料體系；生物制造與智能制造結(jié)合，誕生自動(dòng)化、數(shù)字化、可編程的“生命工廠”。

(作者為中國(guó)工程院院士、北京化工大學(xué)校長(zhǎng))

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2025年12月13日 05 版)