GIL 2026丨中国科学院赵国屏院士：合成生物学赋能生物制造 —— 走向创新链与产业链的深度融合

赵国屏院士从生命科学、生物技术一路演进的历史切入，梳理全球以及中国合成生物学一路走来的源头脉络。他指出，生命科学重在探索生命内在规律，而生物技术是以生命体系为基础，通过改造生物、加工生物原料，创制人类所需产品，最终实现技术落地与产业工程化应用。

人类早期生物技术长期依托经验驱动，缺乏系统理论支撑，以传统酿造、发酵工艺为主，形成酒、醋、酱等经典发酵产物。1680年，人类首次观测到微生物，但尚未厘清微生物与发酵过程的内在关联。直至巴斯德通过葡萄酒发酵的正反案例研究，精准阐释发酵机理、揭示杂菌污染原理，正式奠定微生物生理生化研究的学科基础。后续依托微生物单菌落分离技术，也就是克隆技术的雏形，科研人员得以精准区分微生物功能、识别病原菌，推动结核疫苗成功研发。伴随弗莱明发现青霉素，抗生素正式问世，1929年开启微生物次生代谢药物的全新时代。

赵院士特别强调，疫苗与抗生素两大颠覆性创新，分别将人类平均寿命提升十年，是近现代生物技术赋能人类健康最核心、最深远的突破。从古代的经验技术到近现代的生物工程，人类走过了一条从“利用自然”到“驯化优化”、再到“设计创制”的道路。

进入现代生物工程阶段，1953年DNA双螺旋结构的发现，让人类彻底洞悉生命的分子本质，此后DNA重组、测序、编辑技术接连突破，实现基因“可读、可写、可改”的技术基础。1974年，合成生物学早期愿景被正式提出，畅想依托生物技术人工创制全新生命系统，形成重要思想革新。上世纪90年代基因组学革命到来，系统科学正式融入生命研究体系；21世纪初，合成生物学核心理念正式确立，将生物系统定义为可拆解、可设计、可构建的工程化系统，标志着生物技术从“发现认知”迈向“人工设计”的全新阶段，全面赋能现代生物制造与生物医药产业升级。

回望国内发展历程，中国合成生物学积淀深厚，早在上世纪60年代，中国完成人工合成牛胰岛素、酵母丙氨酸tRNA两大标志性成果，展现了中国强大的化学与生物研究根基；上世纪80年代，结构生物学快速发展；上世纪90年代，中国深度参与国际人类基因组计划，补齐基因组学与生物信息学核心能力；2005年，中国高校学子参加国际遗传工程机器大赛（iGEM），接轨全球前沿创新体系；2007年，中国科学院率先启动合成生物学战略规划；2008年，国内相继举办香山会议、东方论坛，同年中国科学院合成生物学重点实验室获批筹建，成为国内赛道起步的重要里程碑。2010年后，中英美多国顶尖科研机构开展三轮联合研讨，围绕合成生物技术迭代、产业价值释放、未来发展方向深度交流，至2012年，中国合成生物学的发展理念、研究框架与创新体系基本成型。

赵院士还分享了实验室转型的珍贵往事。2008年，其团队依托“合成生物学”全新赛道定位，成功获批中国科学院分子微生物实验室。赛道更名、顺势转型的背后，是中国合成生物学研究从萌芽到起步的真实缩影。建室初期，实验室以传统微生物研究为主，后续团队主动跳出原有科研舒适区，历经十年深耕重构研究体系、搭建工程平台、攻坚核心技术。直至2018年，团队在天然产物人工细胞工厂创制等领域实现四大核心突破，同步达成“见物致知”的科学认知目标与“借物之用”的产业应用目标，彻底完成实验室的战略转型与能力升级，实现了中国合成生物学科研力量的涅槃重生。

赵院士以天然产物人工细胞工厂为落地载体，具象阐释合成生物学工程化体系的实践路径，稀有人参皂苷CK便是极具代表性的转化成果。人参皂苷是人参核心活性物质，其中CK（Compound K）因仅含一个糖基而最为稀有，在天然人参中含量微乎其微，却是人体摄入人参后经肠道代谢生成的关键起效组分，科研与产业价值突出。

为高效合成该稀有组分，研究团队围绕催化元件筛选、催化反应机理、工程底盘适配三大维度，搭建经过大量实验验证的标准化催化元件数据库，系统收录蛋白序列、反应参数、酸碱与温度适配条件、底盘菌株特性等数据，并嵌入智能检索与代谢路径辅助设计工具。依托“设计-构建-测试-学习”迭代的工程化研究范式，团队实现人参皂苷CK产量的大幅提升，为产业化奠定了坚实基础。同时，赵院士审慎提醒，菌株的产量提升仅为实验室阶段成果，距离规模化商业化仍需以完善的工艺转化与中试放大体系作为支撑。为此，团队在上海化工园区推动成立昇合建物，搭建专业天然化合物生物制造中试平台，该平台严格对标国家安全与环保管控要求，可实现产物规模从毫克级到百公斤级的跨越，达成数十倍至上千倍的产能放大。但即便完成中试，也仅是产业化征程的起步阶段，恰如诗句所言 “雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”，后续仍有漫长的落地攻坚之路。

在应用价值层面，高纯度天然产物原料具备双向赋能优势：既可作为先导化合物助力西药新药研发，也能为中药现代化研究提供支撑。院士抛出极具创新性的观点：人体肠道菌群是中药在体内完成二次炮制的“天然工厂”。 人参原生皂苷中几乎不含CK，人体服食后经由肠道菌群代谢转化才生成该活性成分，中药进入人体之后，在体内还会发生新一轮“炮制”，这也正是当前中药药理机制研究的重要前沿方向。

赵院士认为，只有拿到结构明确、纯度可控的单一活性物质，才能精准解析药理作用靶点、建立量化质量标准，而完善的标准体系又能反向倒逼生产工艺持续优化。高纯原料能够赋能保健品、功能食品、医美产品开发。以稀有人参皂苷Rg3为例，将其制备为脂质体剂型与紫杉醇联合用药，相较于传统白蛋白结合型紫杉醇可显著优化治疗效果。一方面能够精准作用靶点、提升机体免疫能力，另一方面改善化疗药物水溶性，实现多重药理功效叠加，在细胞防护、创新健康产品开发领域拥有广阔市场空间。

赵院士着重强调，监管科学是合成生物学产业行稳致远的核心保障。他指出，合成生物学高度依托基因编辑、转基因等技术，恰恰也是生物安全重点关注的板块。若缺乏自然科学与社会科学的系统性研判，无论是监管疏漏带来安全隐患，还是监管规则不合理阻碍产业发展，都会成为合成生物学发展的人为性阻碍。

因此，赵院士系统拆解监管科学三大核心内核：厘清监管标的物核心属性与安全边界、研判新技术与现行治理框架的适配关系、依托科学评估支撑决策迭代并推动制度体系迭代升级。在此基础上，他提出分类分级的综合治理思路：

• 化学原料药、重组蛋白、单克隆抗体等结构清晰的纯化产物，可直接对标现有成熟的监管体系执行；

• 新型食品原料、中药保健食品、两用生物技术等组分复杂的非纯化类产品，需在充分的风险收益评估的基础上，借鉴海内外先进治理经验，针对性地优化和调整现有规制条款；

• 转基因工程生物、细胞与基因治疗等颠覆性前沿技术，现有评估工具与管理制度尚不完善，亟需突破既有框架，探索创设全新的专项监管路径。

面向产业长远发展，赵院士呼吁加快研发一套科学、可落地的风险评估方法论，精准识别技术全链条中的不稳定性、不确定性与安全风险点，规范产品上市准入的全流程评估程序，配套出台专项法规、技术指南与行业标准；搭建适配研发、工艺、准入全环节的分级分类评估模型，将评估结论贯通伦理审查、产品准入、市场应用等关键节点，结合生物合成自身特点与管理要求，持续健全配套标准体系。最终构建产学研用深度联动、社会公众广泛参与的协同治理格局，统筹政府主管部门、科研院所、行业企业的多方权责，建立常态化统筹协调与沟通磋商机制，打造覆盖基础研究、中试转化、产品上市、市场应用的全生命周期现代化监管体系，为我国合成生物学产业高质量、规范化、可持续发展筑牢制度基石。

赵院士最后对合成生物学长远发展图景作出系统性展望。他提出，面对人工智能技术浪潮应秉持理性审慎的态度，合成生物学的底层根基始终是“设计(Design) - 构建(Build) - 测试(Test) - 学习(Learn)”范式，在此核心框架之上，叠加高通量工程落地体系与AI效能放大的赋能，将极大释放合成生物学技术的颠覆性潜能。

赵院士剖析，从初始原料到终端成品的底层产业逻辑历经漫长发展并未发生本质更迭：以生物质资源、工业原材料、二氧化碳等为起始输入，依托标准化技术工具包完成功能元件、底盘细胞的设计与构建，依次历经小试验证、中试放大、合规监管审批、市场培育推广等环节，最终完成产业落地与规模扩张。而AI将贯穿全链条产生海量规范化的高质量数据集，促成“白箱”理论推演与“黑箱”数据驱动两种研究范式的深度交融，打通AI for Science基础科研与AI for Industry产业化应用的联动通道，搭建起自原始创新到商业化落地的闭环生态，持续输出多元化生物制造产品。

回顾科技成果产业化的客观规律，赵院士形象地指出，合成生物学的科研成果从实验室走向产业集群与社会普惠应用，必须跨越三道艰难关卡：穿越成果转化的“死亡谷”、翻越工程化放大的分水岭、渡过优胜劣汰的市场“达尔文海”，整条落地路径布满不确定性与现实挑战。归根到底，核心命题仍是科技创新链与市场产业链的深度耦合：一端是政策牵引下的供给侧技术创新驱动，另一端是市场导向下的需求驱动，两大动力需要有机协同，资本与金融体系则承担串联两端的关键桥梁功能。

赵院士在此着重强调自主创新的战略内核：“不能总是用别人的昨天来装扮自己的明天，我们没有别的选择，非走自主创新道路不可。”

聚焦合成生物与生物制造产业未来的高质量发展，赵院士给出四点具象化落地建议：

• 持续巩固并强化生物医药与大健康产业的核心支柱地位；

• 大力推动多学科交叉、多技术的会聚融合；

• 盘活现有各类科创基础设施与新型研发平台，深挖存量资源、提升整体运行效率；

• 完善创新链与产业链协同共生的产业生态体系建设。院士坦言，优质产业生态的构筑需要全社会多方共同聚力。

最后，院士以诗意的表述总结行业发展大势：从“雄关漫道真如铁”的攻坚求索，到如今放眼前路“苍山如海”的广阔格局，合成生物学正处在从基础研究全面迈向全民大健康产业的关键转折点。唯有让国家现代化治理体系、社会经济运行生态，与合成生物学的会聚式创新内核、全域产业赋能潜能高度适配，才能真正实现双链深度协同，最终抵达拓展人类生命健康保障、提升人类生存发展能力的终极愿景。