这一届生物科技的使命：重建地球生态健康
本文来自微信公众号：范阳（ID：beingmorehuman），作者：范阳，头图来自：pexels
有很多朋友不是很理解，生物科技不是说了好多年了吗，现在在说的基因编辑、微生物技术，还有合成生物学，和以前有什么不同呢？
第一点，以前当人们提起生物技术（biotech），主要是治病（医疗医药）和变美（化妆个护）的事儿，而从疫情后时代开始，下一代生物技术一方面在叠加其他前沿学科（比如人工智能，人机交互，材料科学，机器自动化，航天工程，量子计算等等） 快速发展，一方面也在走进普通人的生活，尤其是在与我们最息息相关的衣（时尚，穿着），食（农业，食品），住（家居，建筑），行（汽车，交通）这几件事上。
Bio-tech? ——>? Life-tech?
Biotech is transforming from bio-medical and bio-pharma?to life-tech，?improving our daily life and?preserving all the life on Earth.?
第二点，新的生物科技正在与生态文明，生物多样性保护，解决气候危机，碳中和，可持续性发展这些紧迫的时代议题联系起来。
Bio-tech? ——>?Healing and Growing the World?
Biotech is about building ecological civilization， protecting bio-diversity， solving climate crisis， reaching carbon neutrality and our sustainable future.
疫情的第三年，我们应该学到最大的一课就是人类个体的健康和福祉，离不开整个地球的健康和福祉，也离不开这个星球上每一种生物的健康和福祉。
我们每一个人今天遇到最大的身体和心理健康的挑战，都源于我们地球生态系统出现了问题。我认为下一代的生物技术最大的价值是让我们的地球生态恢复健康，最终变得更加欣欣向荣。
所以进一步的，以下三个观点我想分享给大家：
1. 人类是地球这个行星的守护者，人类作为一个物种存在的首要目的是保育地球上所有的生命（ Our primary duty to the universe is to preserve all life forms on Earth. ）。
2. 发展生物技术的本质就是因为生物学本身的可持续性和可再生性（The core of biotech is sustainability and regeneration.）。
3. 当我们在说可持续发展，本质是在说找到新的方式让人类社会和整个生态圈（human society and the whole biosphere) 生存并且繁荣下去。
为了达到以上的目标，我们必须去工程建造（?We must engineer the future ），这也是合成生物学的使命。
想象一个丰饶而公平的未来
很多人在听到可持续发展，还有生态这些词的时候，自然就会联想到这样的未来是不是意味着节制欲望和资源减少？
虽然人类确实应该走出工业时代无限扩张欲望的死结，但是一个生物性的未来意味着丰饶且公平。
人类会利用不断掌握的合成生物学技术创造过去2000年农业到工业社会还未曾见过的原材料和产品，而不是一直以剥夺者的心态，无限度地把自然当作一种理所应得的资源不可逆转的消耗。
我们会创造出更多碳足迹为负的原材料，我们会看到城市里的高楼长得越来越像一个活着的植物，我们会创造出结构强度比碳纤维还好的 “超级竹子自行车”?替代烂在雪地里的共享单车，我们将会把人类社会的废料变成可以直接进入泥土的“养料”，我们会利用藻类清洁我们水体里的微塑料喝到更清洁的水，很多城市现在晚上刺眼的灯光秀将会被发光的植物柔和地点亮。
我们必须现在开始想象这样的未来，因为人类只会看见自己能想象的东西，并且把它做出来。
时间拉回到现在，我们先来看看在哪些领域，合成生物学为代表的生物技术，正在发挥作用。
微生物发酵来源的食物（Fermentation derived food ingredients）
传统的农业和畜牧业在过去的上千年为人类社会带来了稳定的营养和富足的生活，但是随着全球人口向着80亿进发，这两个行业不得不消耗更多的自然生态资源来满足需求，更多的森林将会被推倒变成玉米地，大豆农场和小麦田，而农业生产的主要粮食，大部分都用来喂牛和猪，让这些动物变成肉类生产的机器。而大规模工业化的动物养殖，又造成了污染问题，全球传染病风险和温室气体排放的问题。
牛可能是这个星球上最想退休的劳动工作者。/MEATABLE
微生物发酵应该是人类掌握的最古老的生物技术，我们的面包，奶酪，红酒，泡菜等都是利用发酵技术得到的， 我们要感谢人类最好的真菌朋友 —— 酵母菌。而如今利用更多种多样的微生物来创造蛋白质（动物养殖肉蛋奶的替代）、生产淀粉和糖（植物种植的替代）等食物是新的农业革命重要的一部分，也是解决生态和气候危机重要的一环。
这个领域领先的公司比如美国的 Nature’s Fynd，这是一家利用真菌发酵生产蛋白的食品科技公司。
这个公司本身的故事也很有意思，他们利用的微生物是一种真菌，是NASA的科学家因为要为未来太空探索做准备，去研究极端环境下可以生存的微生物，然后在美国黄石公园的高温热泉附近找到的一种镰刀菌，后来科学家们换了一个思路，这种生命力这么强的微生物本身身体素质也好，蛋白含量很高，那不如试试把它们给吃了？?
后来，Nature’s Fynd的创始人看到了这种真菌的潜力，从NASA授权得到了这种品种，然后通过先进的室内微生物发酵技术，控制环境条件来更好地生长这种真菌得到其菌丝体部分的蛋白，最终变成一种全新来源的蛋白质，再把这种营养丰富的蛋白质加工成汉堡肉饼等食品。
这里插播我的团队的合成生物学科学家对 Nature’s Fynd 技术的评价：
“ NF使用的菌种和英国老牌的真菌植物肉公司Quorn同属，都是fusarium这类真菌，不过不知道为什么他们最早从热泉中筛选菌株，这个菌株除了蛋白含量高还有什么特点。一个潜在的风险是，该类真菌容易产生真菌毒素，不知道他们在发酵培育过程中的技术如何，是否可以有效控制毒素和杂菌。如果换做我，我可能更趋向于从寒冷的地方去分离菌株，因为不饱和脂肪酸含量应该会更高，更利于人体健康。高温条件下筛选的菌株蛋白稳定性高，但作为人类食物不一定是好事。这些具体技术问题应该考虑。不过他们做的非常的棒。”
在地球上大部分人确实是更喜欢牛肉的味道，牛肉高密度的营养含量也是其他蛋白来源很难匹敌的。但是不久的未来在月球和火星上，当人类不能放牧的时候，这类蘑菇的近亲发酵生产的蛋白饼将会是最美味的食物。而这类蛋白的成本最终会比肉类便宜很多，也会让贫困国家地区的人口吃到高质量的蛋白，科技让好的资源更公平，这是后资本主义时代的主题。
细胞培养生产的肉类（Cultured Meat）
至少在现在的社会文化下，对于大部分吃肉的人，还是很难舍弃美味的肉类而选择口感欠佳的“仿生肉”，比如植物蛋白肉，还有 Impossible Foods 这样的公司利用合成生物技术和食品科学开发的混合蛋白肉饼，总之都不如真肉好吃。
但是另一方面，我们又无法永远通过占用自然资源去扩大动物养殖规模来满足未来20年还会一直增长的肉类需求。似乎只有发展细胞培养技术这一条路了。而这条技术之路却充满艰难险阻以及道德争议。
随着过去两年技术的发展，逐渐解决了一些技术性问题，开始降低细胞培养技术的核心成本了，比如用植物性来源的培养液和细胞生长“支架”技术，而替代掉过去用的例如牛胎盘血清（FBS) 这样成本高昂而又没有减少剥削动物的细胞培养液。而最近中国和美国分别开始有新的指导意见文件，两国在未来农业战略规划里，细胞培养技术都被提上了议程。
最近我关注的一家技术领先的细胞培养肉类公司是美国加州的 Wildtype， 他们在2022年2月份获得了1亿美金的融资，仅次于2022年4月刚刚获得4亿美金融资的细胞培养肉公司Upside Foods。
Wildtype
这家公司成立的目标是：通过细胞培养技术减少全球渔业的过度捕捞。
如果你也看过《渔业阴谋 Seaspiracy》这部2021年的纪录片，你会很容易理解我为什么关注一家想通过技术解决渔业破坏生态这个问题的公司。
纪录片里提到，如果按照现在的节奏吃鱼，到2048年人类就会把海洋里主要的鱼类吃光。
我也很爱吃海鲜，但是当你第一次看到盘中鲜美的食物是怎么来的，你可能再也无法去忽略这些真相，只是把金枪鱼当作一块刺身，三文鱼当作一块肉排。
以人类现在对海洋鱼类捕捞的速度，还有渔业造成垃圾污染的问题，海洋生态几十年内会达到危险的临界点，一旦失衡陆地上生活的人类也不会独善其身。人工养殖渔业虽然占据了大部分我们吃到的鱼鲜的生产，但是又造成了生态多样性丧失，抗生素和微塑料吃进我们的身体的问题。这些问题远比想象的严峻，而又很少受到普通人的关注。我们也不能寄希望于一家公司的发展，而需要有更多技术公司和投资者认识到这是一个值得解决的问题，且存在着巨大的颠覆性商业潜力。
生物材料：超级木材，超级真菌材料与蜘蛛丝蛋白纤维（Biomaterials: super wood， fungal biomass， spider protein?fibers )
下一代的生物材料将会改变我们的物质世界，改变人类社会生产原材料的方式。改变过去几百年材料生产的方式，也是大多行业达到碳中和目标以及减少污染最直接的手段。
目前我们的物质世界主要是由石油化工行业赋予的，逐步替代化石燃料来源以及造成环境污染的的材料生产，就是生物材料技术公司的首要目标。
其中最有前景的，目前来看有通过基因编辑得到?“超级木材 ” （可以理解为树木中的钢铁侠），还有通过真菌菌丝体生成的不同性能的材料，以及蜘蛛丝蛋白合成纤维。
在开发超级树木的公司里，我关注的一家是北卡州立大学两位植物合成生物学教授共同成立的 TreeCo。两位科学家聚在一起，创办这家公司的愿景是希望把最先进的生物科技引入传统的林业，引起这个行业的变革，保护世界上的林业资源不被不可逆转的消耗。
TreeCo在开发的技术平台，通过开发植物基因编辑的工具，以及培育具备抗病虫害，抵抗气候变化能力以及生长速度更快，根系更发达的树木，获得高质量的木材原料，造纸原料以及其他植物化学分子成分。
树木占据整个地球生态圈质量的大部分，所以对于树木的培育和改造对我们的环境生态和气候具有重要的作用。
在不久的未来，也许我们的城市里也会有参天巨树生长在摩天高楼旁边，帮助我们净化空气，调节城市的温度，也提供给更多生物栖息地。
而除了超级树木，真菌和真菌的菌丝体也会是我们未来20年越来越用到的生物材料。你能想象有一天隐藏在森林里的真菌，这些多种多样而又美丽神奇的生物会变成我们的衣服，家居用品甚至是房屋和建筑，而我们的这些东西不会再变成对地球造成伤害的垃圾，而会回归泥土，变成滋养其他生命的养分。
真菌不只会重新塑造地球上的材料，也正在被航天工程的科学家研究，未来月球和火星基地的材料，以及改造星球土壤环境的重任也会由真菌来承担。/视频截图
另外一种未来的超级生物材料就是改造过的蜘蛛丝蛋白，比如日本领先的生物材料公司 Spiber 是通过获取了蛛丝蛋白基因的微生物发酵生产得到这种蛋白，再加工成我们可以穿的服装材料和其他更先进的工业和医用材料。而蜘蛛丝蛋白作为一种重量轻但是改性之后强度可以超过钢筋的生物材料，也正在被航天工程领域研究如何带上月球和火星，以及在医学和军工领域发挥作用。
生物环境治理与生物采矿（Environmental remediation & biomining）
在亿万年生物进化的历史中，微生物本身就是不断的帮助这个世界分解腐朽的东西，循环转化成新的能量和生机。
我们今天已经使用很多自然界的微生物进行生物修复，例如石油泄漏后的通过菌群的水体处理。但随着合成生物学生物技术的成熟，我们现在来到了Bioremediation 3.0的阶段，可以探索使用工程改造的微生物来分解更广泛，更复杂的污染物，再把他们变废为宝。比如，通过合成生物学改造过的真菌，可以分解有毒的废料，废弃的橡胶和塑料，甚至改良核污染后的土地。
此外，我们也能够使用微生物来提取和富集有价值的分子，例如高价值的金属元素。全世界现在有20%左右的铜矿以及5%左右的金矿是通过生物采矿的方法来提取。目前有很多科学家团队在努力设计工程微生物以分解消费电子行业产生的巨量电子垃圾，同时也能变废为宝，利用微生物的性能从这些电子垃圾中 “挖掘” 有用的元素以回收利用。这样生物挖矿技术不久也会被用在月球和火星上，从废弃的零件中以及行星矿石里提取工程师需要的金属元素。
这两个领域，值得关注的一家创业公司是Allonnia，他们通过工程改造的微生物处理消费行业，能源和工业行业产生的废物，以及帮助采矿业用环境污染更小的生物学方法提取金属，以及降低碳排放。
一张概念效果图，未来的火星基地如何利用细菌真菌来提炼稀土元素和金属。
生物生产化学品：燃油，塑料， 分子聚合物和肥料（Chemicals: fuels， plastics， polymers， fertilizers ）
通过发酵或生物催化的方法，利用生物技术制造化学品将使我们摆脱以化石燃料为基础的原材料。未来石油基产品的使用必须趋于下降，我们需要寻找新的碳源和方法将它们转化为燃料、塑料、聚合物等。
在完全过渡到清洁能源之前，对可燃性燃料的需求将持续存在很长时间，这个阶段人类可以通过使用生物基的油（bio-based oil ) 来实现碳中和。但是目前碰到最大的问题还不是技术性问题而是经济性问题，如果大规模降低这类生物生产化学品的成本，是最重要的。我在之前一篇文章里提到过这个领域的一家领先公司：Solugen， 他们的使命是通过下一代生物工厂替代现在大多数高附加值的化工生产的原料，感兴趣的朋友可以去看看他们网页。
另一家值得关注的公司是 Genomatica，运动时尚品牌lululemon投资了他们并且与之合作在开发用生物尼龙制作的瑜伽裤和运动服。
Genomatica截图
生物多样性保护（Bio-diversity Conservation）
在碳中和和可持续发展这两个热词之外，被我们国家提到国家战略高度的另一件事情就是生物多样性保护。但这个词听起来学究味太强，普通人也并不知道保护生物多样性是什么和意义所在。如果用更直白的话说，生物多样性保护就是给予同样生活在这个星球上的我们的其他生物朋友们活下去的机会，让万物焕发生机，这样也会保护人类自己，并且在过去亿万年无数生物共同进化的过程中，留在每个生物体内的基因都是宝贵的财富，人类也刚刚开始向自然界所有的生物学习他们的超能力，与这个世界共享。而这一切的基础是，让更多的生物活下去。
有一家我最近关注和交流的公司，叫做 Basecamp Research，他们主要的成员在英国，是由生物学家、基因工程学家、数据科学家和探险家组成的， 他们形成这个团队和公司最早的机缘是创始团队的成员一起进行野外极地探险的微生物宏基因组的分析工作。而他们建立的生物样本库和宏基因组分析平台，又会帮助更多的生物科技公司和科学家解锁更多未来的发现和应用。这方面中国的华大基因的人类基因组计划和环境微生物组研究也在进行。我想这类公司未来的发展将会一箭双雕，即帮助我们保存自然界没有被很好研究过的物种的基因信息，也会为科研和产业界打开全新的世界。
Basecamp Research网页截图
植物合成生物学与新型植物（Synthetic Botanical and New plants）
植物是我们抵挡气候变化危机最好的自然武器，我们需要他们的大口呼吸，帮助我们固定更多我们的工业呼出的碳。
就像过去的植树节和现在的蚂蚁森林，人们现在最容易接受的改变环境的方式之一就是养植物和种树。那植物合成生物学的机会在于为人类设计更好的植物，以提高生长效率、气候适应能力和增加碳捕获的能力。
有几种提高植物固碳能力的策略，包括生长更大的根系（向下延伸固定更多的碳）和减缓被微生物分解的速度（保留更多碳在更长的生命周期）。虽然需要在基础植物生物工程方面进行更多底层研究和工具的开发，但我们还需要在技术发展的早期就努力找到应用的方式和扩大应用的范围。未来即将出现的不同品种的超级植物，将会是社会整体和每个个人在家里就可以帮助实现碳中和计划的前沿。
这个领域值得关注的一家创业公司是?LivingCarbon，他们在2022年刚刚结束孵化正式上线，他们通过向树木插入一些特定的基因（来自于南瓜，海藻等），培育树干和根系更强大的树木，并且延长木头保存的时间不被重新分解释放固定下来的碳到环境里。这家公司背后的主要科学家之一Dr.Yumin Tao是一位华裔，在合成生物学，分子生物学，菌株工程方面都有着丰富的经验。LivingCarbon的长远目标就是培育出来不同的拥有极强固碳能力的植物，并且可以利用他们的平台技术保护森林的多样性。
livingcarbon
尾声
昨天是4月22日，世界地球日，希望这篇文章可以启发一些科研工作者，投资人和创业者，在关注合成生物学技术本身之外，更关注生态保护和应对气候危机，并以此为出发点。我相信只有我们利用最先进的技术解决人类今天面临的最急迫的挑战，和实现普世的共通价值，才能获得最大的商业收益。
本文来自微信公众号：范阳（ID：beingmorehuman），作者：范阳
