工程生物学应用于环境解决方案：潜力与挑战 —— 开启环境治理的生物科技新征程

《Nature Communications》：Engineering biology applications for environmental solutions: potential and challenges

为解决全球环境挑战，如生物修复、生物固存、污染物监测和资源回收等问题，研究人员开展了工程生物学应用于环境解决方案的研究。结果表明该领域虽有潜力，但面临商业化、安全等挑战。这为推动工程生物学在环境领域的应用提供参考，意义重大。

　　在当今时代，全球工业化进程不断加速，人口持续增长，城市规模日益扩大，由此带来了一系列严峻的环境问题，如污染物排放增多、温室气体浓度上升、资源浪费与短缺等。传统的环境治理手段在应对这些复杂问题时逐渐显得力不从心，急需创新的解决方案。工程生物学作为一门新兴学科，将合成生物学的理念和技术应用于解决实际环境问题，为环境治理带来了新的希望，这也促使研究人员开展相关研究，以挖掘其潜力并应对可能面临的挑战。

英国多个研究机构，包括东安格利亚大学（University of East Anglia）、克兰菲尔德大学（Cranfield University）等的研究人员，针对工程生物学在环境应用中的潜在价值、面临的问题及未来发展方向展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展提供了全面且有价值的见解。

研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：一是利用合成生物学工具进行快速质粒组装和精确染色体修饰，这些工具能够对微生物的基因进行精准操作，为后续的环境应用奠定基础；二是借助物联网（IoT）、人工智能（AI）等技术，实现对环境的实时监测和对工程微生物的智能调控，提高环境治理的效率和精准度；三是通过构建数字双胞胎模型，模拟工程微生物在复杂环境中的行为，辅助优化实验设计和工程应用。

应用特定的创新与挑战

许多公司利用光养生物（如蓝藻、藻类或植物）或经代谢工程改造的异养细菌，将温室气体转化为有价值的化合物，这不仅能部分替代化石基制造，缓解气候变化，还有助于实现净零排放。然而，目前多数收入依赖最终产品，除非石油或碳许可证价格上涨，或能生产出更高价值的产品，否则商业成功面临挑战。此外，政治因素也使得提高碳许可证价格困难重重。

利用植物衍生糖类生产工业化合物、纺织品、颜料或生物塑料的公司，面临与食品生产竞争和农业用地有限的问题，限制了商业可行工艺的扩大规模。例如，巴西甘蔗乙醇生产因土地使用与森林砍伐相关，难以实现可持续增长。而利用木质纤维素生物质生产高价值化合物，如食品替代品，可能更具经济可行性，并减少与食品生产的竞争。

环境修复市场规模庞大，许多公司提供原位或异位修复策略，包括对土壤、水、棕地或工业废物的物理、化学和生物修复。生物修复是其中的重要手段，包括生物刺激本地微生物或植物，以及添加具有降解目标污染物基因能力的微生物，但目前工程微生物在生物修复中的商业应用较少，原因包括工程微生物难以与本地生物竞争、缺乏现场试验、监管障碍以及对释放转基因生物（GMOs）的安全和 containment 担忧。此外，工程微生物生产生物表面活性剂用于修复的市场虽在增长，但扩大生产以替代化学表面活性剂仍面临成本和技术挑战。

与其他技术的整合

合成生物学与纳米技术、物联网和人工智能的整合，增强了工程生物学在环境应用中的部署。合成生物传感器可高精度、可靠地检测各种目标分子，如污染物、重金属和生物标志物，且成本低、使用方便，适合通过物联网和人工智能集成到环境监测系统中。物联网设备能实时跟踪环境条件，触发基因工程微生物对检测到的污染物做出反应，而人工智能可分析大量环境数据，预测生物工程生物体在各种条件下的行为，优化其在复杂生态系统中的功能，提高生物降解和碳捕获等任务的效率。

合成生物学与机器人技术的结合，产生了自动化生物反应器，可维持工程生物体的最佳生长条件，实现自动化采样和测试，为大规模应用提供关键支持。合成生物学与网络物理系统（包括数字双胞胎）的融合，开创了环境管理的新领域，通过物联网连接这些系统，可收集地理上分散的环境参数实时数据，由人工智能预测环境趋势并相应调整生物工程生物体的行为。地理空间技术与合成生物学的结合，增强了生物技术干预的多尺度空间管理，无人机配备增强型生物传感器可识别受污染严重的区域，指导基因工程植物或微生物的靶向部署。云计算和云实验室管理合成生物学应用产生的大量数据，优化设计和部署策略，确保大规模应用的有效性和安全性。混合工程活材料（HELM）是一个新兴领域，将活生物体与惰性底物结合，赋予材料新的功能，如原位传感和污染物修复，为材料科学和环境治理带来新的突破。

工程生物学的商业化和扩大规模

工程生物学的商业化面临诸多挑战，部分原因是其作为一套相对较新的技术，缺乏像太阳能、风能和核能那样长期的公共和私人投资。要实现商业化成功，需要持续的资源投资以展示其大规模应用的可行性，同时还需在主要市场之间统一关于可部署工程生物体类型的立法，避免因监管差异阻碍技术发展。

下游处理在扩大规模时面临诸多难题，如从培养基中分离和纯化所需产品的过程中，离心、过滤和色谱等步骤需要优化，以在处理大量材料时保持高产量和纯度。此外，遗传构建体在扩大规模过程中的持久性、工程菌株的遗传稳定性、污染控制等问题也至关重要。在扩大规模和将工程生物学技术整合到实际环境中时，还需要从业者的专业知识，从概念化和设计阶段就进行考虑，以指导决策。同时，数据披露对于技术的发展至关重要，分享扩大规模后的结果有助于科学社区的审查和优化，促进技术的进步。

经济可行性是扩大规模的关键，需要优化工艺以降低能源、原材料和劳动力成本，同时提高产量和生产力。经济建模可用于改善成本效益预测，确保符合监管要求是市场批准和生物技术解决方案商业成功的关键。在将合成生物学部署到工程生物体面临竞争的环境中时，需要采取策略确保工程微生物在本地微生物群落中保持功能，如开发合成微生物群落、设计增强弹性和适应性的遗传构建体等。

生物安全和生物安保

工程改造微生物的过程及其在环境生物技术中的应用必须确保安全可靠。在环境中部署工程微生物需要进行全面的生态风险评估，以防止对生物多样性产生不利影响。不同国家对转基因生物的监管存在差异，如英国、美国和欧盟都有各自的监管框架，且欧盟正在修订其转基因生物监管框架以适应新的基因组技术（NGTs）。

目前的生物安全和生物安保标准在某些方面存在不足，特别是在涉及合成生物学和基因编辑等先进领域时。为解决这些问题，提出了生物 containment 策略，通过在 DNA 复制、转录和翻译水平对生物体进行基因编码修饰，实现生物体内在的 containment，而不是依赖物理 containment 设施。然而，这些策略仍面临一些技术挑战，如目前的生物 containment 策略在实验室规模实验中虽显示出较低的逃逸率，但扩大到工业规模时，由于引入了更多变量和不确定性，现有数据可能无法直接外推，且完全重新编码基因组等方法成本高、耗时长，在实际应用中存在困难。

此外，还需要通过基因组条形码或水印等技术实现对工程微生物的可追溯性，以补充生物 containment 策略。目前缺乏一个简化的系统来预先识别生物资产的来源和关键生物安全属性，这限制了工程生物学的可扩展性，并增加了错误的可能性。因此，需要建立一个更动态、适应性更强的生物安全和生物安保方法，围绕对关注序列（SoC）的筛选、生物 containment 和可追溯性等互补方法展开，并开发相应的标准、指标和信息基础设施。

社会、政治和价值维度

通过工程生物学实现环境目标不仅是一个技术挑战，还涉及社会、政治和经济等多个层面。环境问题的复杂性使得专家们可能在问题的成因和解决方案上存在分歧，而且解决一个方面的问题可能会在其他方面产生连锁反应。例如，欧盟增加生物燃料生产的政策导致了栖息地和生物多样性的损失，以及主食作物价格的上涨。因此，在利用工程生物学解决环境挑战时，必须充分考虑其可能带来的社会和政治影响，避免加剧现有的不平等。

随着技术的发展，负责任地管理合成生物学的发展至关重要。新的生命周期分析方法可帮助决策，通过让利益相关者参与定义系统边界等假设的制定，整合他们的知识，使决策更加全面和合理。虽然合成生物学有潜力解决全球挑战，但其社会后果和利益可能难以确定。例如，合成青蒿酸的生产对青蒿种植农民的生计产生了影响，同时也影响了抗疟药物的供应和价格。

治理挑战和变化

创新的融合使得治理变得具有挑战性，产生了意想不到的监管空白，需要通过标准和监管沙箱等治理工具来填补。全球对转基因生物的治理差异很大，不同国家和地区的监管框架各不相同，这给工程生物学的发展带来了障碍。例如，欧盟的监管制度包括产品和过程导向的方法，且各成员国在转基因生物治理上还有额外的措施，导致规则重叠和碎片化。美国的转基因生物治理则更侧重于性状或产品，但不同机构之间的监管也存在碎片化问题。

目前，围绕 “精确育种”“基因编辑”“转基因生物” 和 “新基因组技术” 等术语的监管定义正在发生变化。一些国家对某些不涉及引入外源 DNA 或与 “天然” 产品实质等同的转基因生物给予不同的监管待遇，欧盟也在讨论调整对通过新基因组技术产生的生物体的监管方法。然而，对于这些监管变化存在不同的观点，一些人认为它们简化了先前的制度，反映了对科学的更好理解；而另一些人则认为这些变化主要是由商业利益驱动的。总体而言，该领域需要统一的术语和更协调的监管过程，以促进创新的发展和应用。

未来展望和挑战

工程生物学在环境应用方面正处于变革性进展的边缘，在生物传感、生物修复、生物固存、污染监测和废物增值等领域展现出了巨大的潜力。然而，要实现这些技术的广泛应用，仍面临诸多挑战。例如，从实验室到现场的扩大规模过程中，需要确保基因工程生物体在复杂的现实环境中保持稳定性和有效性；尽管 DNA 合成成本有所下降，但伦理、监管、生物安全和生物安保等问题仍然限制着这些技术的更广泛应用。

未来，工程生物学在环境应用方面的研究可能会集中在提高遗传工具的精度和效率上。通过与计算建模（如未来的多尺度生态数字双胞胎、人工智能和网络物理系统，即生物 - 网络物理系统）的持续整合，将有助于优化工程生物体的设计、部署和退役，使其更适合特定的环境任务。随着公众意识的提高和参与度的增加，有望开展更具包容性和明智的监管讨论，制定更实际的生物安全和伦理准则。此外，工程生物学与量子计算和先进材料科学等新兴技术的整合，将为创新开辟新的途径。但从实验室研究到实际应用的道路充满了技术挑战和监管障碍，这些技术的广泛应用可能需要几十年的时间，取决于科学突破和政策发展的速度。

综上所述，该研究全面分析了工程生物学在环境应用中的潜力和挑战，为该领域的发展提供了多方面的思考和建议。从研究结果来看，虽然工程生物学在环境治理中展现出了巨大的潜力，但其商业化、生物安全、社会接受度和监管等方面的问题仍需解决。这不仅需要科研人员在技术上不断创新和突破，还需要政府、企业和社会各方共同努力，建立合理的监管框架，提高公众的认知和接受度，以推动工程生物学在环境领域的可持续发展，为解决全球环境问题做出更大的贡献。