解讀2019生命科學(xué)領(lǐng)域的最新趨勢(shì)，微生物的威力你想象的到嗎？

2019 年 3 月 22 日，中國(guó)上?！癉eepTech 2019 生命科學(xué)論壇”，數(shù)十位生命科學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)科學(xué)家、創(chuàng)業(yè)家和投資人，將共聚一堂，解讀 2019 生命科學(xué)領(lǐng)域的最新趨勢(shì)，分享他們對(duì)生物技術(shù)和醫(yī)療保健行業(yè)的精彩見(jiàn)解。

我們相信，2019 年，生命科學(xué)領(lǐng)域會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新時(shí)代。包括CRISPR 基因編輯、合成生物學(xué)技術(shù)、單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)等前沿生物技術(shù)也將繼續(xù)取得革命性突破。這些新興生物技術(shù)的出現(xiàn)，正在改變生命科學(xué)領(lǐng)域的游戲規(guī)則，也在改變我們生存的這個(gè)世界。

此時(shí)，中國(guó)生物技術(shù)和醫(yī)療醫(yī)藥市場(chǎng)亟需具有國(guó)際專業(yè)水準(zhǔn)的內(nèi)容服務(wù)機(jī)構(gòu)，給科學(xué)家、投資人、創(chuàng)業(yè)者、醫(yī)藥巨頭、銀行、律所等眾多市場(chǎng)參與者提供一個(gè)思想碰撞、學(xué)習(xí)新知以及發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)的平臺(tái)。

3 月 22 日，在“DeepTech 2019 生命科學(xué)論壇”上，我們還將發(fā)布兩大榜單：2019 生命科學(xué)領(lǐng)域十大技術(shù)趨勢(shì)和2019 生命科學(xué)領(lǐng)域十大創(chuàng)新人才。

本次論壇的嘉賓之一北京藍(lán)晶微生物科技有限公司創(chuàng)始人兼 CEO 李騰也曾參加 DeepTech 旗下青年科學(xué)家劇場(chǎng)式演講欄目演繹inSite 的錄制。

演繹inSite第三期節(jié)目

是時(shí)候重新認(rèn)識(shí)微生物了

以下為李騰老師演講文字稿：

（根據(jù)演講現(xiàn)場(chǎng)整理，基于愿意有所刪減，完整版請(qǐng)看視頻）

大家好，我是李騰，今天想跟大家聊聊微生物，給各位講一個(gè)微生物拯救生命，或者說(shuō)是拯救地球的故事。

科幻石炭紀(jì)：參天大樹與巨大昆蟲的時(shí)代

我們知道，地球至今已有 46 億年的歷史，如果要你穿越回去，你會(huì)去向哪個(gè)時(shí)期？大家可以對(duì)此展開(kāi)無(wú)盡想象：恐龍時(shí)代、中生代、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)……各種各樣。但是有一個(gè)時(shí)代，我建議大家盡量避免，因?yàn)槟强赡苁钦麄€(gè)地球歷史上最恐怖的時(shí)期——距今 3 億年左右的石炭紀(jì)。

之所以說(shuō)它恐怖，是因?yàn)槭考o(jì)有個(gè)別稱，叫做“巨蟲的時(shí)代”。

這個(gè)時(shí)代有 3 米長(zhǎng)的蜈蚣、翼展 1 米的蜻蜓、巨型的蟑螂、還有巨型的蒼蠅；現(xiàn)在空氣中的氧氣約占 21 %，而石炭紀(jì)則是在 35 %左右，最高的時(shí)候更是達(dá)到了 40 %以上。

圖片來(lái)源：BBC《Walking with Monsters》

為什么那個(gè)時(shí)候地球氧氣含量那么高呢？

因?yàn)樵谑考o(jì)的早期，植物迎來(lái)了極大發(fā)展，地球上所有生物都開(kāi)始進(jìn)化，植物的進(jìn)化讓植物變得非常繁盛，那個(gè)時(shí)候地球 99 %是被植被覆蓋的大陸，植物的光合作用令它們一刻不停地吸收二氧化碳并釋放氧氣，所以空氣中的氧氣含量非常的高。

那時(shí)植物瘋狂發(fā)展還有一個(gè)特別重要的原因，是因?yàn)檫M(jìn)化出了高等喬木，植物之間也開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)，也就是在那個(gè)時(shí)候自然界進(jìn)化出了“參天大樹”的狀態(tài)，之以能夠如此高聳入云，是因?yàn)橹参飩冞M(jìn)化出了新的結(jié)構(gòu)叫做“木質(zhì)素”，一種結(jié)合強(qiáng)度非常高的聚合物，將有機(jī)質(zhì)以一種極其致密的方式結(jié)合之后，植物就可以源源不斷地向上生長(zhǎng)；但問(wèn)題也接踵而至，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)異常致密，這就意味著沒(méi)有任何生物可以吃它、消化它，導(dǎo)致植物死掉之后根本無(wú)法腐爛，一直沉積直到變成了平均厚度 30 米厚的煤炭層，這就導(dǎo)致了煤炭易燃，再加上空氣中的氧含量足足達(dá)到 30%— 40%，這個(gè)時(shí)候是非常容易著火的。

圖 | 史前巨型節(jié)胸蜈蚣在《Prehistoric Park》中的造型（圖片來(lái)源：BBC《Prehistoric Park》）

這就是為什么這個(gè)時(shí)候叫做石炭紀(jì)，因?yàn)檫@時(shí)地球上幾乎全都是煤炭?，F(xiàn)在人們用的煤炭很大一部分都來(lái)自于石炭紀(jì)，如今大家總說(shuō)“家里有礦”，但如果穿越回石炭紀(jì)，那就不是家里有礦，而是全世界都有礦，你可能整個(gè)家族都建在礦上。

所以，在石炭紀(jì)的末期，地球迎來(lái)了一次生物大滅絕，據(jù)說(shuō)那場(chǎng)火燒了 30 年，因?yàn)槿紵龝r(shí)釋放大量有害氣體，所以影響了整個(gè)地球的生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)達(dá)幾千年之久。碳元素?zé)o法進(jìn)行正常循環(huán)，如果這個(gè)問(wèn)題不解決的話，可能地球上的所有生命都會(huì)就此滅絕。

圖 | 石炭紀(jì)部分甲殼類動(dòng)物（圖片來(lái)源：作者 MickeyRayRex）

為什么說(shuō)微生物拯救了世界？

就是因?yàn)槟菚r(shí)地球上突然進(jìn)化出了一種微生物可以非常高效地降解木質(zhì)素，讓碳循環(huán)重新正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。慢慢地，大氣中的二氧化碳的含量得以提升，這個(gè)危機(jī)也就隨之解除了。

微生物決定你的胖瘦？

微生物可能平時(shí)并不引人注目，但其實(shí)它一直扮演著非常重要的角色。

其實(shí)每個(gè)人都攜帶著大量與我們共生的微生物，這些微生物大部分是在我們的消化道里，以腸道、口腔、皮膚等居多，分布在我們身體的各個(gè)角落；微生物對(duì)人的影響，從基本的生理層面出發(fā)，如今甚至到達(dá)了精神層面的影響。

如果大家單看一個(gè)人細(xì)胞數(shù)量的構(gòu)成，大約是 25 %人類細(xì)胞， 75 %的共生微生物，其中所有構(gòu)成細(xì)胞的基因都是一模一樣的。

人類大概有 20000 個(gè)左右的有效基因，但是跟我共生的微生物大概有 10000 種，這些微生物的基因數(shù)量大概是人類基因數(shù)量的 100 倍左右；如果從基因角度去統(tǒng)計(jì)的話，人類遺傳信息 99 %來(lái)自微生物，剩下的 1 %才是自己，人體內(nèi)的微生物細(xì)胞數(shù)量大概是人類細(xì)胞數(shù)量的 3 到 10 倍；人體微生物的基因數(shù)量大概是自身基因數(shù)量的 100 倍。

人們發(fā)現(xiàn) 90 %的疾病都直接或間接與微生物有關(guān)。

拿小鼠實(shí)驗(yàn)舉例：長(zhǎng)期不同的飲食習(xí)慣會(huì)改變其腸道的微生物結(jié)構(gòu)，近而直接影響小鼠的胖瘦；如果把一個(gè)體態(tài)豐腴胖鼠的腸道微生物移植到瘦鼠體內(nèi)的話，那這個(gè)瘦子就會(huì)變胖。

還有很多代謝類的疾病也跟微生物有關(guān)，比如糖尿病。

糖尿病人和健康人的腸道微生物菌群組成是很不一樣的，更奇怪的是諸多精神類的疾病都會(huì)受到微生物的影響，比如：抑郁癥、焦慮癥、狂躁癥，這些都跟微生物有關(guān)系。

99 %的天然微生物都是無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被培養(yǎng)的，這種天然微生物包括人體內(nèi)的微生物和自然界中的微生物?，F(xiàn)在利用的微生物都是建立在僅有的 1 %基礎(chǔ)之上，可就是這 1 %，都已經(jīng)為人類帶來(lái)了很多有趣的東西。

現(xiàn)在只要大家提到發(fā)酵這兩個(gè)字，其實(shí)都是微生物的作用，只不過(guò)是近 200 年人們才意識(shí)到這一點(diǎn)。

比如說(shuō)面包、釀酒、啤酒、酸奶、咸菜、醬油、醋……所有需要發(fā)酵的東西，其實(shí)都是人們巧妙利用微生物的結(jié)果，人類有意識(shí)地去利用微生物的歷史距今已有約 5000 年之久。

5000 年以來(lái)，人們都用微生物做了什么事？

到了 20 世紀(jì)中葉，人們開(kāi)始更高層次地去利用微生物，由此誕生了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)方向，就是工業(yè)微生物，即在工業(yè)條件下去有意識(shí)地培養(yǎng)微生物，讓它去幫我們合成或生產(chǎn)一些東西。

標(biāo)志性的事件是在二戰(zhàn)前后，人們發(fā)現(xiàn)了抗生素，于是傳染性的疾病突然可以被治愈了；后來(lái)，人們開(kāi)始開(kāi)始用微生物去合成青霉素，至今大部分的抗生素都是用微生物去生產(chǎn)的；為了去大量地獲取抗生素，人們發(fā)明了這種工業(yè)微生物的技術(shù)，從那時(shí)候開(kāi)始，世界日新月異。

同時(shí)期，日本人發(fā)明了味精，日語(yǔ)翻譯過(guò)來(lái)叫味之素，這其實(shí)是一種氨基酸，直到現(xiàn)在，所有的氨基酸都是用微生物去生產(chǎn)的。

1978 年，人們開(kāi)始知道了微生物基因與微生物行為之間的關(guān)系，開(kāi)始嘗試去改造微生物的基因，其中標(biāo)志性的事件就是胰島素的出現(xiàn)。大家知道胰島素是目前唯一可以降血糖的藥物，其實(shí)它本質(zhì)上是一種蛋白質(zhì)，你可以把這個(gè)蛋白質(zhì)的基因放到一個(gè)微生物里，讓這個(gè)微生物就像釀造啤酒一樣去釀造胰島素。

現(xiàn)在的胰島素是用大腸桿菌來(lái)生產(chǎn)的，它是最常見(jiàn)的微生物之一，最早發(fā)現(xiàn)在人的大腸里，所以叫大腸桿菌。單聽(tīng)名字大家可能會(huì)覺(jué)得是個(gè)不好的菌種，但其實(shí)自然界中現(xiàn)存的大腸桿菌都基本上都是完全無(wú)害的，大腸桿菌有很多的亞種，只有極其少數(shù)的亞種會(huì)致病。微生物產(chǎn)品種類繁多，比如用作美容用途的玻尿酸、或者叫透明質(zhì)酸，也是典型的微生物的產(chǎn)品。

21 世紀(jì)以來(lái)，我們逐漸發(fā)展出一項(xiàng)新的技術(shù)，叫做合成生物技術(shù)，可以理解成基因工程的升級(jí)版。就是說(shuō)基因工程本來(lái)只能操作微生物的其中一個(gè)基因，或者說(shuō)很短的一個(gè) DNA 片段；現(xiàn)在我們可以做幾個(gè)基因、十幾個(gè)基因、甚至幾十個(gè)基因的這種操作，這個(gè)就是合成生物學(xué)的技術(shù)。

你可以把微生物想象成一個(gè)很復(fù)雜的機(jī)器，也可以把它當(dāng)做樂(lè)高積木一樣給它加一些模塊進(jìn)去，給它賦予一些新的功能，這些被賦予新功能的微生物就相當(dāng)于被定向且工程化地得以利用，如同編程一般控制它的行為，這會(huì)帶來(lái)極大的學(xué)術(shù)意義與產(chǎn)業(yè)意義。

微生物治愈癌癥？告別放療化療不是夢(mèng)！

接下來(lái)給大家舉的幾個(gè)例子，都是現(xiàn)在科學(xué)界利用合成生物學(xué)技術(shù)去優(yōu)化了微生物之后已經(jīng)實(shí)現(xiàn)、或即將實(shí)現(xiàn)的一些事情。

第一件事，增加了功能的微生物或許可以治療癌癥。

癌癥是非常嚴(yán)重的疾病，同時(shí)也是一個(gè)極大的社會(huì)問(wèn)題，目前我國(guó)有很多不同的路徑在研究如何去治療癌癥，這里只是千萬(wàn)種路線之中的一個(gè)，但這個(gè)路線是跟微生物直接相關(guān)的。

癌細(xì)胞它之所以會(huì)導(dǎo)致人的死亡，很多時(shí)候是因?yàn)樗焖俜敝持髶屨剂巳梭w大量的能量，所有治療癌癥的疾病，大部分都是要去想辦法殺死癌細(xì)胞，與此同時(shí)還不影響其他的健康細(xì)胞。殺死癌細(xì)胞的方法其實(shí)有很多，但關(guān)鍵問(wèn)題在于如何準(zhǔn)確定點(diǎn)靶向到癌細(xì)胞中去。

比如說(shuō)最常規(guī)的癌癥治療方式是化療或放療，它的原理是因?yàn)榘┘?xì)胞生長(zhǎng)旺盛，所以要把人體內(nèi)所有生長(zhǎng)旺盛的細(xì)胞通通殺死；但與此同時(shí)，人體內(nèi)有還有很多同樣生長(zhǎng)旺盛的健康細(xì)胞，比如造血干細(xì)胞，這就意味著如果要?dú)⑺腊┘?xì)胞，那同時(shí)也必然會(huì)影響造血干細(xì)胞的功能，這也就是為什么化療或者放療時(shí)病人頭發(fā)會(huì)掉，就是因?yàn)轭^皮的生發(fā)細(xì)胞死掉了。

圖 | 全球男性和女性排名前十位的惡性腫瘤發(fā)病率（外圈）及死亡率（內(nèi)圈）

所以，很多時(shí)候人們?cè)谘芯吭趺粗委煱┌Y的時(shí)候，都是在研究怎么定點(diǎn)地靶向到癌細(xì)胞，這個(gè)時(shí)候微生物就有作用了。

有一種微生物叫沙門氏菌，如果血管破裂，沙門氏菌便有一定的概率進(jìn)入到人體的血液循環(huán)，一旦進(jìn)入，免疫細(xì)胞會(huì)立即自動(dòng)識(shí)別并將它殺死。

但沙門氏菌不就就此善罷甘休，它會(huì)自己一個(gè)免疫細(xì)胞無(wú)法攻擊的地方去，然后在血液循環(huán)系統(tǒng)中四處游蕩，直到尋覓至癌細(xì)胞內(nèi)部——也就是免疫細(xì)胞無(wú)法攻擊的地方；如果這時(shí)給這個(gè)癌細(xì)胞做工程化處理，讓它能夠想辦法去殺死癌細(xì)胞的話，那它就是一個(gè)非常優(yōu)秀靶向到癌細(xì)胞的定點(diǎn)藥了。

微生物能解酒、還能制造“用過(guò)就消失”的可降解塑料！

第二個(gè)例子，也就是我現(xiàn)在正在做的事情。

2016 年，我在清華博士畢業(yè)之后就跟同事們成立了一家公司，我們想做的就是去充分釋放微生物的無(wú)盡潛力，無(wú)論是在天然環(huán)境中找來(lái)的微生物、還是用合成生物學(xué)的方式去優(yōu)化改造的微生物。

我們團(tuán)隊(duì)剛剛開(kāi)始的時(shí)候，就是拿微生物去合成一種天然的高分子材料，這個(gè)材料跟塑料的性能十分相像，但它跟塑料唯一的區(qū)別就是這種材料可以降解，所有的土壤微生物都可以吸收它；塑料至今為止發(fā)明了 100 多年，依然沒(méi)有任何微生物知道如何去降解它，所以傳統(tǒng)塑料是無(wú)法被降解的，故而造成了眾所周知的白色污染。

我們可以用微生物來(lái)合成一些聚合物，這些化學(xué)物理性能跟塑料是很像的，但是它是微生物熟悉的東西，這就意味著它就可以被吃掉，所以這就是“用過(guò)就消失的塑料”，叫做生物可降解材料，化學(xué)名稱叫做PHA（聚羥基脂肪酸酯）。

第三個(gè)例子，就是不用吃的藥。

人類的腸道內(nèi)有很多微生物，如果把其中的一個(gè)微生物改造成讓它可以一邊定植一邊繁殖自己，并且一邊合成藥品的話，那人類可能就不用吃藥了，我們只需要植入一次微生物，它就可以永遠(yuǎn)在那兒工作。有一些人只要喝牛奶就會(huì)拉肚子，就是因?yàn)轶w內(nèi)有一種酶的缺失，導(dǎo)致身體無(wú)法降解乳糖。如果有一種微生物把這個(gè)酶在體內(nèi)表達(dá)出來(lái)，那就可以隨心所欲的攝入各種奶類。

圖 | 世界范圍內(nèi)乳糖不耐受分布統(tǒng)計(jì)圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

再比如，很多人代謝酒精非常困難，喝完酒面色發(fā)紅，就是因?yàn)榫凭珶o(wú)法代謝，如果有一個(gè)微生物在胃里幫你解酒，遇到乙醇之后就很快地把它降解成乙酸，這樣的話，人們就再也不用擔(dān)心醉酒了。

最后我要舉一個(gè)同樣非常有趣的例子，叫做涂在墻上的螢火蟲。

螢火蟲和水母之所以能夠自發(fā)光亮，都是因?yàn)樯眢w中含有蛋白質(zhì)，有人受此啟發(fā)，利用化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為光能的原理，把發(fā)光基因放到微生物中。將其養(yǎng)在一個(gè)富含充分養(yǎng)料、果凍般的固體培養(yǎng)基內(nèi)，然后再把“果凍”和微生物的混合物把它涂在墻上。

有一家法國(guó)的公司目前就在做這個(gè)事——微生物發(fā)光涂料，涂上去之后無(wú)需任何額外電能，只需一個(gè)月時(shí)間即可保證發(fā)光強(qiáng)度。比如，夜跑的時(shí)候把它涂在手臂上照亮、涂到救生衣上發(fā)光等等，相當(dāng)于是一個(gè)很有趣的新型環(huán)保光源，既維持了時(shí)間的長(zhǎng)效，又保證了極低的能量投入。

我們現(xiàn)在研究人工智能，想在電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)之上給它賦予智能，但其實(shí)任何一個(gè)生命都是一個(gè)智能系統(tǒng)；所以合成生物學(xué)有點(diǎn)像給這些智能系統(tǒng)做人工的工程化，這就有點(diǎn)像是人工智能的反面，要給智能加上人工，這個(gè)邏輯可能會(huì)是一個(gè)未來(lái)的趨勢(shì)之一。就比如最近大家在討論的“人類基因編輯”這種問(wèn)題，技術(shù)的進(jìn)步是很難阻擋的，但是在這個(gè)過(guò)程之中，我們一定要平衡好技術(shù)、安全性以及道德倫理的問(wèn)題。

所以，未來(lái)究竟是什么樣子，我們可以在今天看到很多雛形，但是不管未來(lái)往哪個(gè)方向發(fā)展，無(wú)論是人工智能還是合成生物學(xué)，我們現(xiàn)在都到達(dá)了一個(gè)時(shí)代的節(jié)點(diǎn)，人工智能和合成生物學(xué)更像是一枚硬幣的兩面。

科技在爆發(fā)，今天給大家講了微生物的話題，大家可能也能感覺(jué)到這些事很多都是發(fā)生在近幾年，技術(shù)的進(jìn)步讓很多新的東西變成了可能性。站在當(dāng)下眺望遠(yuǎn)方，我相信未來(lái)可期。謝謝大家！