生物制造作為一種以工業(yè)生物技術(shù)為核心的先進(jìn)生產(chǎn)方式，正在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)一場(chǎng)制造業(yè)的綠色革命。它融合了生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，通過(guò)生物體的機(jī)能進(jìn)行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化，為社會(huì)發(fā)展提供了豐富的工業(yè)商品。在中國(guó)，生物制造被列為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是提升新質(zhì)生產(chǎn)力的重要手段之一。本文將深入探討生物制造產(chǎn)業(yè)中的四大關(guān)鍵技術(shù)--基因編輯、細(xì)胞培養(yǎng)、生物信息學(xué)和合成生物學(xué)，分析這些技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)及其在生物制造中的應(yīng)用和前景。

　　一、基因編輯

　　基因編輯技術(shù)是一種革命性的手段，能夠直接在生物體的DNA序列上進(jìn)行精確的修改。其核心目的在于修正、插入或刪除特定的基因片段，從而改變生物的遺傳特性。自21世紀(jì)初以來(lái)，基因編輯技術(shù)經(jīng)歷了顯著的發(fā)展，其中CRISPR-Cas9系統(tǒng)因其高效性、精確性和相對(duì)簡(jiǎn)便的操作流程而成為了最熱門且最廣泛使用的基因編輯工具。

　�。ㄒ唬〤RISPR-Cas9系統(tǒng)

　　CRISPR-Cas9系統(tǒng)的核心組件包括Cas9蛋白和CRISPR RNA（crRNA）與轉(zhuǎn)激活CRISPR RNA（tracrRNA）結(jié)合形成的單向?qū)�RNA（sgRNA）。Cas9蛋白擔(dān)任“分子剪刀”的角色，能夠在特定的DNA序列處進(jìn)行切割。sgRNA則能夠引導(dǎo)Cas9蛋白找到并定位到特定的DNA序列進(jìn)行切割。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的sgRNA，CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以被引導(dǎo)到基因組中的任何位置進(jìn)行編輯。

　　CRISPR-Cas9技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括遺傳疾病治療、作物改良、生物工程和基礎(chǔ)科學(xué)研究等。在生物制造中，基因編輯技術(shù)可以用于改造微生物、酶等生產(chǎn)工具，使其具備更高效的生產(chǎn)能力。例如，通過(guò)基因編輯技術(shù)，可以優(yōu)化微生物的代謝途徑，提高其對(duì)特定底物的利用率和產(chǎn)物的產(chǎn)量。此外，基因編輯技術(shù)還可以用于構(gòu)建具有特定功能的細(xì)胞工廠，用于生產(chǎn)復(fù)雜的生物活性分子和藥物。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球基因編輯市場(chǎng)規(guī)模正在快速增長(zhǎng)。根據(jù)CB Insight和BCG分析數(shù)據(jù)，全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模從2018年的53億美元增長(zhǎng)到2023年的超過(guò)170億美元，年均增長(zhǎng)率27%，預(yù)計(jì)2028年全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模近500億美元�；�因編輯技術(shù)作為合成生物學(xué)的重要組成部分，其市場(chǎng)規(guī)模也將隨之不斷擴(kuò)大。

　　（二）他基因編輯工具

　　除了CRISPR-Cas9系統(tǒng)外，還有其他基因編輯工具如TALEN和ZFN。TALEN技術(shù)利用TALEN蛋白進(jìn)行基因編輯，其核心是DNA識(shí)別區(qū)域和核酸酶結(jié)構(gòu)域。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的DNA識(shí)別區(qū)域，TALEN蛋白可以定位到基因組的特定位置進(jìn)行精準(zhǔn)的基因編輯。ZFN技術(shù)則使用鋅指蛋白與DNA特定序列結(jié)合，并引導(dǎo)一個(gè)核酸酶到該位置進(jìn)行切割。與CRISPR-Cas9相比，TALEN和ZFN的構(gòu)建更為復(fù)雜，但在某些特定應(yīng)用中仍然占有重要地位。

　　二、細(xì)胞培養(yǎng)

　　細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是生物制藥工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)培養(yǎng)細(xì)胞來(lái)生產(chǎn)藥物。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)包括細(xì)胞株的建立、細(xì)胞培養(yǎng)基的配制、培養(yǎng)條件的調(diào)控等方面。

　�。ㄒ唬┘�(xì)胞株的建立

　　細(xì)胞株的建立是細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的第一步。從原始細(xì)胞中選取出具有穩(wěn)定特性的細(xì)胞，經(jīng)過(guò)一系列的層次篩選和分離，培養(yǎng)出獨(dú)立的細(xì)胞株。細(xì)胞株的建立可以通過(guò)傳代培養(yǎng)和克隆培養(yǎng)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳代培養(yǎng)是將細(xì)胞在適宜的培養(yǎng)條件下進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，使其不斷增殖并保持穩(wěn)定。克隆培養(yǎng)則是通過(guò)單細(xì)胞分離技術(shù)，將單個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)成獨(dú)立的細(xì)胞株。

　�。ǘ�）細(xì)胞培養(yǎng)基與培養(yǎng)條件

　　細(xì)胞培養(yǎng)基是支持細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖的基礎(chǔ)，其組成非常復(fù)雜。常用的細(xì)胞培養(yǎng)基包括基礎(chǔ)培養(yǎng)基和增補(bǔ)培養(yǎng)基。基礎(chǔ)培養(yǎng)基提供細(xì)胞所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氨基酸、脂質(zhì)和激素等。增補(bǔ)培養(yǎng)基則是在基礎(chǔ)培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上，根據(jù)細(xì)胞的特殊需求添加特定物質(zhì)，如生長(zhǎng)因子、抗生素等。

　　培養(yǎng)條件的調(diào)控對(duì)于細(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的生產(chǎn)具有重要影響。其中包括溫度、氧氣和二氧化碳?xì)怏w濃度、培養(yǎng)槽的攪拌速度、培養(yǎng)液的酸堿度等因素。通過(guò)合理調(diào)控這些因素，可以優(yōu)化細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境，提高細(xì)胞繁殖和產(chǎn)物的產(chǎn)量。

　�。ㄈ�）生物反應(yīng)器

　　生物反應(yīng)器是進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)的核心設(shè)備。常用的生物反應(yīng)器包括批式培養(yǎng)槽、連續(xù)培養(yǎng)槽和氣液循環(huán)培養(yǎng)槽等。根據(jù)不同的細(xì)胞類型和工藝需求，選擇合適的生物反應(yīng)器可以提高細(xì)胞培養(yǎng)的效率和產(chǎn)能。例如，在生物制藥工程中，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，滿足市場(chǎng)對(duì)藥物的需求。

　　三、生物信息學(xué)

　　生物信息學(xué)技術(shù)是一門結(jié)合生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科學(xué)科，其主要目標(biāo)是研究生物數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、分析和應(yīng)用。隨著生物科學(xué)的發(fā)展，生物信息學(xué)技術(shù)在生物研究和醫(yī)療創(chuàng)新中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

　�。ㄒ唬┥�物數(shù)據(jù)庫(kù)

　　生物數(shù)據(jù)庫(kù)是生物信息學(xué)技術(shù)的重要組成部分，用于存儲(chǔ)、管理和分享生物數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的生物數(shù)據(jù)庫(kù)包括基因組數(shù)據(jù)庫(kù)、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)、基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)和生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)庫(kù)等。這些數(shù)據(jù)庫(kù)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式、搜索接口和數(shù)據(jù)下載服務(wù)，為生物信息學(xué)技術(shù)的分析和應(yīng)用提供了方便的數(shù)據(jù)來(lái)源。

　　（二）生物信息學(xué)算法

　　生物信息學(xué)算法是生物信息學(xué)技術(shù)的核心部分，用于解決生物數(shù)據(jù)的復(fù)雜問(wèn)題。常見(jiàn)的生物信息學(xué)算法包括序列比對(duì)和比較算法、基因預(yù)測(cè)算法、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法、基因表達(dá)分析算法和生物網(wǎng)絡(luò)分析算法等。這些算法為生物信息學(xué)技術(shù)的分析和應(yīng)用提供了有效的解決方案。

　　在生物制造中，生物信息學(xué)技術(shù)可以用于分析微生物的基因組和代謝途徑，優(yōu)化生產(chǎn)條件，提高產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，生物信息學(xué)技術(shù)還可以用于藥物研發(fā)，通過(guò)分析生物目標(biāo)和小分子化合物數(shù)據(jù)，研究藥物的作用機(jī)制和潛在療效。

　　四、合成生物學(xué)

　　合成生物學(xué)是生物科學(xué)的一個(gè)分支，是指通過(guò)工程化的思路，對(duì)生物體功能代碼，如酶、合成途徑及底盤細(xì)胞的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行重編以設(shè)計(jì)出帶有新型功能的生命體，并完成特定用途的學(xué)科。合成生物學(xué)與生物制造概念交叉，應(yīng)用領(lǐng)域緊密融合。

　　（一）合成生物學(xué)在生物制造中的應(yīng)用

　　在生物制造中，合成生物學(xué)可以用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化微生物的代謝途徑，提高其對(duì)特定底物的利用率和產(chǎn)物的產(chǎn)量。通過(guò)合成生物技術(shù)，可以對(duì)微生物、酶等生產(chǎn)工具進(jìn)行改造，使其具備更高效的生產(chǎn)能力。例如，通過(guò)構(gòu)建人工酵母菌，利用工業(yè)化發(fā)酵的方法可以在幾周內(nèi)大量生產(chǎn)青蒿素等抗瘧藥物，大大提高了生產(chǎn)效率。

　　此外，合成生物學(xué)還可以用于開(kāi)發(fā)全新的合成路線，以常見(jiàn)生物質(zhì)廢料甚至二氧化碳為碳源，打破原料及產(chǎn)品的進(jìn)口依賴。這不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可以減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

　　（二）合成生物學(xué)的市場(chǎng)前景

　　根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作組織及BCG等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)末，合成生物將廣泛應(yīng)用在占全球產(chǎn)出1/3以上的制造業(yè)，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)30萬(wàn)億美元。目前，全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模正在快速增長(zhǎng)。根據(jù)CB Insight和BCG分析數(shù)據(jù)，全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模從2018年的53億美元增長(zhǎng)到2023年的超過(guò)170億美元，年均增長(zhǎng)率27%，預(yù)計(jì)2028年全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模近500億美元。

　　在中國(guó)，生物制造市場(chǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。根據(jù)易凱資本測(cè)算，2023年中國(guó)生物制造市場(chǎng)規(guī)模接近4200億元，未來(lái)十年保持接近17%高速增長(zhǎng)，2033年市場(chǎng)將達(dá)到近2萬(wàn)億元。這表明，合成生物學(xué)和生物制造產(chǎn)業(yè)在中國(guó)具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

　　五、總結(jié)

　　中投顧問(wèn)產(chǎn)業(yè)研究院認(rèn)為，生物制造產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)一場(chǎng)制造業(yè)的綠色革命。基因編輯、細(xì)胞培養(yǎng)、生物信息學(xué)和合成生物學(xué)作為生物制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，正在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為生物制造提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。通過(guò)優(yōu)化微生物的代謝途徑、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量、開(kāi)發(fā)全新的合成路線等方式，生物制造正在推動(dòng)制造業(yè)向更加環(huán)保、高效和可持續(xù)的方向發(fā)展。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，生物制造產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展前景和更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。