合成生物制造引领“第四次工业革命” ——中国工程院院士郑裕国一席谈

当瓦特手中的蒸汽机喷薄出第一缕工业文明的曙光，人类历史的车轮便焕然新生。而今，数字化浪潮正以排山倒海之势奔涌而来，拉开了“第四次工业革命”的帷幕。在中国工程院院士郑裕国看来，这场变革以人工智能、生物技术等为突破点，其中，合成生物制造扮演着关键角色。

合成生物制造将为精细化工行业带来怎样的变革，又将如何重塑工业产品生产流程？近日，郑裕国分享了自己的观点。

引领“第四次工业革命”

“第一次工业革命以蒸汽机作为动力机广泛使用为标志，第二次工业革命以电力的发现和广泛应用为标志，第三次工业革命以原子能、电子计算机等技术的发明为标志。现在，第三次工业革命仍在进行过程中，但我认为，第四次工业革命也正在发生。”郑裕国谈到，“第四次工业革命正以人工智能、新材料、分子工程、虚拟现实、量子信息、生物技术等为突破口，以提高资源生产率、减少污染排放、改变生活方式为实质特征。”

那么，这场革命的核心领域究竟在哪里？谁又将引领这场变革？郑裕国将答案指向了一个交叉学科——合成生物制造。

他阐释道，“合成生物学”是指采用工程化设计理念，对细胞进行定向设计、改造乃至重新合成，从而突破自然生命进化规律，重塑自然生产线。其目标直指物质的高效定向合成与精准转化。“合成生物制造”则是以多学科融合交叉为技术手段，改造或创造自然功能的生命体及生物组分，通过过程和系统强化，实现物质的高效合成与精准转化，再造产品大规模生产流程，创造经济价值和社会效益的未来产业。

郑裕国说：“尤其是在医药、农药、食品等精细化工领域，合成生物制造正催生新产业、创建新模式、建立新动能，推动这些工业领域向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型。这不仅是技术路线的革新，更是一场生产关系的革命。”

工业制造的绿色选项

尽管合成生物制造是未来产业，郑裕国表示，它已经在为精细化工行业带来变革。

据郑裕国介绍，与石化路线相比，合成生物制造产品平均节能减排30%～50%，未来潜力将达到50%～70%。他以工业催化剂为例作进一步说明。在医药、农药、食品、染料、化工等多个工业领域，全球至少有4.2万种原料和化学中间体是依赖催化剂直接或间接合成的。其中，许多贵金属和非贵金属催化剂来自矿产，属于不可再生资源，且开采成本高。“我们可以利用廉价的、可再生的活性蛋白质作为生物催化剂替代化学催化剂，让生物转化替代化学转化过程，既实现催化剂原料的替代，又实现绿色低碳生产。”郑裕国说。

这一替代技术已得到工程化验证。“最成功的一个例子就是丙烯腈通过腈水合酶生成丙烯酰胺。20世纪80年代，沈寅初院士获得腈水合酶微生物菌种，进而实现大规模生产，当时第一套工业化装置就建在东营。”他说，“腈水合酶替代原来的铜催化剂，降低了反应温度，促成丙烯酰胺的大规模生产，继而生产聚丙烯酰胺，用于水处理、石油开采等多个行业。”

在此过程中，生物制造将化工行业从高度依赖化石原料和高污染、高排放的模式，升级为绿色、低碳、循环可持续发展。从资源分子向功能分子的精准转化，更大程度地发挥了原子经济性。

前景广阔的蓝海市场

郑裕国指出，合成生物制造正在成为先进制造业的核心构成，是新发展格局中的重要产业板块。2023年，以合成生物学技术为引领的市场规模达170亿美元，年复合增长率为28.8%。据预测，到本世纪末，生物制造有望创造数十万亿美元的经济价值。

具体而言，郑裕国阐述了2种物质生产新模式：一是构建高效微生物细胞工厂。采用工程化、智能化设计理念，对细胞进行定向设计、改造乃至重新合成，实现物质的绿色高效合成，对原料、过程进行全替代。二是构建高效产酶细胞。利用酶或含酶生物细胞作为催化剂进行物质转化，用于重构、替代与强化化学品的生产过程。

理论优势如何转化为产业实践？L-蛋氨酸的生物合成路线提供了典范答案。作为生物体必需氨基酸中唯一的含硫氨基酸，其在食品、医药、饲料等领域需求激增。2023年全球L-蛋氨酸市场需求约170万吨，约330亿元。该产业已步入市场黄金期，却也面临着来自生产技术和成本的挑战。郑裕国团队创新开发“发酵-酶催化”耦联高效合成L-蛋氨酸技术，通过合成生物学关键技术构建L-蛋氨酸前体细胞工厂，耦联高产巯基转移产酶细胞，实现L-蛋氨酸的高效生产，是目前最可行的生物合成路线。

据悉，该路线可以实现前体（OSH）稳定生产，达到产量140g/L以上，糖酸转化率80%以上，处于国际领先水平。团队还以合成生物制造推动糖尿病治疗药、心脑血管疾病治疗药、神经退行性疾病治疗药、抗感染药等的发展。

这些成功示范正在引发整个产业链的变革。依托郑裕国团队技术，江苏利民股份打造出全球首条万吨级气相合成—多酶催化生产高光学纯L-草铵膦生产线；浙江乐普药业建成我国首条阿托伐他汀钙化学-酶法合成生产线；氨基酸、特种维生素、功能性糖和糖醇实现大规模生产……依托院士专家工作站、浙工大—企业共创研究中心、政校企共建的地方研究院、项目合作开发、成果转化等“政产学研”合作模式，将实验室成果推向产业化，支撑了“长三角合成生物制造大走廊”的发展。2024年，大走廊实现总营收达近千亿，且规模还在持续扩大，影响力向全国延伸。

“合成生物制造正在改变着物质的生产方式，实现生产原料、制造过程、产品性质的重大革新。通过建立低污染、低能耗、高原子经济性的产品生产路线，降低碳排放、提高生产效率，这项技术将引领工业制造新的产业革命。”郑裕国展望道，“合成生物制造引领形成的新型工业体系正加速形成新质生产力，必将支撑国民经济的快速发展。”