上世纪的 1989 年，美国斯克里普斯研究所在 Nature 杂志上发表一篇使用烟草植物产生功能性重组抗体的文章。这一年，分子农业诞生，它开启了第一波浪潮，由此拉开了长达 30 年的植物合成生物学序幕。
去年年底，开发植物性疫苗和疗法的 Medicago 公司使用烟草合成的新冠疫苗完成最后一部分临床三期实验数据的提交，并向加拿大政府申请审查和批准。这是植物合成生物学技术发展过程中的重要里程碑。
“与微生物一样，植物也可以工厂化培养，不管是水培蔬菜，或是通过组织培养和大规模细胞培养技术，都可获得很多植物产品。并且植物是复杂的多细胞真核体系，有复杂的形态和生理分化，细胞有分区结构，结合遗传操作技术，植物底盘既可以用来生产活性蛋白，也可以生产各种活性代谢物。”王勇老师说道。
王勇现为中科院分子植物科学卓越创新中心植物生理生态研究所研究员、博士生导师，中国科学院合成生物学重点实验室副主任，入选浦江人才计划。现任上海市生物工程学会理事、副理事长、秘书长，上海市生物工程学会合成生物学专业委员会主任委员。课题组主要研究方向为天然产物的合成生物学。
1996 年，王勇从山东大学微生物系毕业后，顺利进入一家国企工作。“这段工作经历对我来说非常宝贵，我得到了一些学校里没有的经验和训练，让我更加直观地理解一项技术如何从实验室进到车间变成产品，一项产品进入市场如何才能有竞争力。这对我现在从事的产业化研究非常有帮助。”
工作两年后，他又考取了四川抗生素研究所，从事抗生素开发研究工作。2001 年，王勇在华东理工大学攻读博士，师从我国发酵工程领域开拓者之一张嗣良教授，张嗣良教授终身都在研究生物技术产品的工业规模优化与放大问题，这也正是合成生物学产品当下面临的难点。
在华东理工大学读博士的这段经历让王勇意识到，生物工程与生命科学是有所不同的，一项生物技术产品若想落地走向市场，仅仅研究生物学问题，围绕细胞内部进行遗传改造是远远不够的。细胞外的问题有时候会更为重要、复杂，特别是规模化之后，在生物过程中，工程思维，工程化的研究手段非常重要。怎么综合利用装备技术、传感器技术、优化和放大技术，结合菌株的遗传改造、生理学研究等等，在工业规模上实现目标产物技术指标和经济指标的竞争力，是一个生物工程学家需要考虑的问题。
2001 年，斯坦福大学生物化学教授 Chaitan Khosla 以大肠杆菌为底盘细胞合成了红霉素母核，该研究成果以“Biosynthesis of Complex Polyketides in a Metabolically Engineered Strain of E. coli”为题发表在 Science 上。彼时，组合生物合成如火如荼，热火朝天。
2002 年，王勇被导师张嗣良教授送到中国医学院协和医科大学医药生物技术研究所王以光教授团队学习链霉菌的遗传改造技术，研究工业红霉素高产菌株的遗传改造，希望通过对工业高产菌株的改造，获得组分改善、杂质含量更低的新一代红霉素工业生产菌株。这时，Kholsa教授的工作引起了王勇的关注,他开始尝试利用酵母合成聚酮类化合物。
王以光是国内外首次利用合成生物学技术研制出1类抗生素新药可利霉素的发明人，终身都在从事抗生素研发事业。1954年，王以光被国家选拔为留学生前往苏联学习抗生素研发工艺，经过5年的系统学习以37门功课都满分的成绩回到国内。她带领的团队通过从其他物种中挖掘一个异戊酰基侧链的合成途径，将此途径导入到螺旋霉素的产生菌，又通过创新改造一个异戊酰基侧链的转移酶将异戊酰基加到螺旋霉素中，得到了异戊酰基修饰的异戊酰基螺旋霉素即可利霉素。可利霉素在武汉新冠疫情时，已推广使用。
博士毕业后，王勇希望到国外继续研究聚酮类化合物，机缘巧合，塔夫茨大学的Blaine A Pfeifer 在招博士后，Blaine A Pfeifer 是上文中提到的以大肠杆菌为底盘细胞合成红霉素母核那篇文章的第一作者，由于双方背景极其契合，王勇很顺利地成为了 Pfeifer 的博士后，继续研究聚酮类天然产物的合成生物学。同时他博士后期间也在麻省理工学院 Gregory Stephanopoulos 课题组研究如何利用大肠杆菌异源合成紫杉醇。
“博士后的科研经历打开了我研究活性天然产物的视野，我最初只研究微生物来源的抗菌活性物质，筛选并改造产抗菌活性物质的细菌。但有时候你会发现很多植物代谢途径的基因，挪到微生物的底盘细胞后很难表达，或者要合成的代谢物对底盘是毒性的，许多代谢物在微生物底盘里很难合成，因为微生物底盘细胞压根就没有前体。所以，除了微生物底盘，我们也需要其他的底盘。
“而合成生物学可以打破种属的界限，用各种来源的基因在底盘细胞中组合代谢途径，这可以组装出最好的途径，我也因此进入了一个更广阔的领域。”
2008 年王勇回到国内任华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室教授，2010 年到中科院分子植物科学卓越创新中心/中科院合成生物学重点实验室成立自己的实验室，自然而然开始从研究微生物合成生物学转向植物合成生物学，主要研究药用植物活性成分的生物合成。该团队已申请专利35 项，其中已授权专利 10 项，国际专利 5 项。
王勇告诉生辉 SynBio，当前我们实验室有三种研究体系：大肠杆菌、酵母和烟草，若要解析一个复杂代谢物途径，通常同时运用这三种体系，以便用较短的时间去挖掘未知的酶，从而拼装复杂的途径。
而对于选择烟草作为底盘植物，他也表示，烟草本身产丰富的次级代谢产物，对一些代谢产物的耐受和转运能力良好；而且它自身产的代谢物涉及各种类型，各种前体基本都有；烟草在植物中是个模式体系，整个遗传操作技术和方法相对比较完善。
以上文提到的紫杉醇为例，博士后期间王勇就开始研究利用大肠杆菌合成紫杉醇中间体紫杉二烯和 5α-羟基紫杉二烯，但近十年来这一领域依然进展缓慢，面临重重困难：紫杉醇的生物合成途径异常复杂，包括 19 步生化反应，近半数涉及细胞色素 P450 酶参与，这些酶的功能性表达对微生物底盘而言是一项巨大的挑战。与微生物底盘相比，植物底盘在膜蛋白表达、前体供应、产物耐受、分区化合成等方面具有明显的优势。尽管如此，迄今为止仅紫杉醇合成的第一步紫杉二烯在植物底盘中有成功的报道，细胞色素P450 酶参与的紫杉醇中间体在植物底盘中尚无成功的先例。
近年来，为了解决这些问题，王勇所在团队以烟草为底盘细胞，利用叶绿体代谢工程在烟草中高效地合成了紫杉醇中间体紫杉烯和5α-羟基紫杉烯，产量分别为 56.6 μg/g FW 和 1.3 μg/g FW，实现了在烟草中大量产生紫杉醇中间体，为在烟草中大量生产紫杉醇奠定了重要基础。该研究成果发表在 Nature Communications 上。王勇表示，这项研究为复杂天然产物的异源合成提供了一种基于植物底盘的成功案例，建立的工程化烟草体系为进一步解析紫杉醇的未知合成途径提供了可能。
图丨紫杉醇合成方案（来源：Nature Communications）
从学校-企业-学校的经历也给王勇带来了更多的思考。他表示，“生物技术研究是要考虑落地的，我们要出好的品种，需要第一流的生命科学基础研究。但是若要把一个产品落地，我们不能只研究细胞里的东西，细胞外的研究同样重要。”
“我经常会跟一些朋友交流我们国内的生物技术研究和产业现状，我们的原创品种太少了。我们绝大多数好的品种都是来自国外引进，这个情况非常普遍，不只是在微生物生物技术这个领域，我们的氨基酸、维生素、抗生素等等无不是如此。放眼其他的领域，农作物、蔬菜水果，甚至畜牧家禽养殖业，优良的品种也多是国外引进。这是很令人难过的事。”
因此王勇团队深耕生物领域，试图改善上述产业现状。过去十年，该团队已有新型天然甜味剂甜菊糖稀有组分 RebD、RebM，甜茶素，新兽药及饲料添加剂黄芩素、新型糖尿病药物a-糖苷酶抑制剂 I-1等多项基于合成生物学的原创性产品进入了产业化阶段。
以甜味剂的发现为例，它的开发是一个机缘巧合。大概十二年前，王勇团队就希望能把一类二萜类化合物开发成糖尿病药物，在研究过程中发现，这类化合物作为高倍甜味剂非常有前景。
糖不仅是人类不可或缺的调味剂，还可刺激大脑释放多巴胺，让人产生快感，也是人类人类不可或缺的安慰剂。全世界的糖和代糖市场超过一千亿美元，需求量非常大。人类很早就学会了从甘蔗中获取蔗糖，蔗糖口味虽非常完美，但对人的健康有很大影响。从上世纪 70 年代，对甜味的健康追求逐渐成为一种趋势，热量更低、甜度更高的化学合成甜味剂开始出现，但多年的使用发现，化学合成甜味剂对肠道菌群有影响，会引发健康人群的糖不耐受甚至糖尿病。因此从上一世纪 80 年代开始，人们就一直在努力寻找可以取代化学合成甜味剂的天然甜味剂。
甜菊糖就是一种可满足甜度和健康需求的天然甜味剂。目前甜菊糖主要是从甜菊叶中提取，依赖于种植的甜菊原料需求量巨大，近十年来，甜菊提取物一直是出口额最大的植物提取物品种。但甜菊品质参差不齐、高品质组分含量低。为了获得高品质的甜菊糖苷，必须经过复杂的分离提取过程，去除口感不佳的组分。合成生物学的出现为从微生物中获取甜味剂带来了曙光。
王勇告诉生辉 SynBio，“糖基化修饰在天然产物的合成中广泛存在，但甜菊糖二萜母核的糖基化修饰在自然界却特别稀少，只有三、四种植物如甜叶菊、甜叶悬钩子、日本的明日叶等可以产生这类化合物，化合物的种类也只有 100 多种。我们解析了这类化合物在植物中是如何被合成的，哪些酶参与了这个过程，特别是糖基化产物是如何被合成的，它的机制是什么。基于催化机制的研究和工程化设计，进一步改善了这些关键酶的催化活性，最终通过合成生物技术，在微生物底盘中实现了甜菊糖稀有组分 RD 和 RM 的定向、高效地合成，并在 2018 年在全球范围内率先实现了工业规模的生产。”
王勇团队开发的甜味剂原创产品，涉及两个甜菊糖的稀有组分 Reb M 和 Reb D。这是天然甜味剂中少有的口感与蔗糖无差别的天然代糖，这两种成分在天然的甜叶菊的叶子中含量极低，仅靠提取无法实现工业规模的生产。
“目前全球范围内只有少数企业能够达到规模化生产，盈嘉合生是中国唯一一家能够实现规模化生产的企业。”盈嘉合生成立于 2015 年，主要从事天然活性成份以及植物提取物的研发、生产和销售，此前刚获得了由毅达资本独家投资的数千万元A轮融资。
2019 年，基于合成生物技术的 RebD 和 RebM 生产通过了 FDA 甜味剂认证。该发酵技术目前已经部分取代了传统的植物提取方式，节约了大量耕地，实现了不依赖于植物种植提取的绿色生产。基于该技术的甜味剂产品已经在食品、饮料等领域中获得了广泛的使用，获得了很好的经济和社会效益。该技术大大提升了传统甜叶菊提取行业的技术水平，对整个行业起到了示范和推动作用。
采访最后，王勇与生辉 SynBio 分享了他对合成生物学的一些看法。“在麻省理工学院的经历，我最大的收获就是更好地理解了工程化研究。合成生物学具有明显的生物技术属性，它是一个交叉学科，工程化是它的内涵。生物技术属性是指它是服务于人的需求的；而工程化并不仅仅只是改几个基因而已，它涉及到细胞内和细胞外，不同尺度上的一系列研究。”
“生命科学家在实验室里研究发表论文是可以的，但是合成生物学家不只是如此，合成生物学家的工程化必须要考虑规模，必须要能走出实验室，面向行业、走向市场，工科的视野和训练是非常必要的。我们国内目前的合成生物学研究，更多的是理科训练、理科思维，对工程化的理解仅限于改造几个基因。这种模式是很难落地的。我们培养的人不能只会发表论文，要懂得知识产权，需要从育种、发酵到产品的分离纯化、放大等整个全流程的相关技能和知识。市场需求、行业的需求、国家的需求、人类发展的需求，是合成生物学家从选题到产业化必须要考虑的问题。生物工程、生物技术只有转化为产品，服务于人、国家和行业，才有价值。”
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1058092
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