合成蛛丝面膜 受访者供图
最近一周的科技界新闻，最热的莫过于诺贝尔奖揭晓。化学奖授予三位科学家：其中一半授予美国华盛顿大学的戴维·贝克，以表彰其在计算蛋白质设计方面的贡献；另一半则授予德米斯·哈萨比斯和约翰·江珀，以表彰他们在蛋白质结构预测方面的贡献。三位获奖者利用AI制作出一系列蛋白质设计与结构预测的精确工具，大力推动了合成生物学等多个前沿领域的发展。
在广州，已有科技企业利用戴维·贝克开发的基于深度学习的蛋白质序列设计工具制成了人造蛛丝。人造蛛丝如何制成？有何用途？它背后的合成生物学又是一门怎样的学科？本期《科技周刊》，我们将带大家领略AI+合成生物的神奇魅力。
人造蛛丝是这样合成出来的
1.蜘蛛+贻贝提供基因
实验人员从数据库中选取力学性质优秀的蛛丝基因序列，再选出一段贻贝足蛋白基因片段。
2.重组蛋白基因
蛛丝基因序列和贻贝足蛋白基因片段融合，获得性能更优秀的重组蛋白基因。随后，这段经过改造的外源蛛丝蛋白基因片段就会被诱导进入大肠杆菌内。这也意味着，人们只要培养足够多改造后的大肠杆菌，并提供营养液，就有望工业化生产重组蛛丝蛋白产品。
3.优化蛋白质序列
实验人员利用AI技术不断调整优化蛛丝蛋白的蛋白质序列，从而持续提升合成蛛丝蛋白的性能和产量，其中包括戴维·贝克实验室的蛋白质序列设计工具ProteinMPNN。
戴维·贝克凭借ProteinMPNN工具等一系列基于计算蛋白质设计方面的贡献获得诺贝尔化学奖。该工具有助于将设计蛋白质的时间长度从“月”缩短至“秒”，从而在产研效率上获得质的提升。
4.蛋白纯化
采用破壁、离心、清洗、重悬、色谱、冷冻干燥等纯化工艺，将重组蛛丝蛋白分离纯化出来，过程十分简洁高效。
5.获得人造蛛丝蛋白
经过纯化后的人造蛛丝蛋白呈现灰白粉末状，可以直接添加入美妆产品中，有助于保湿和舒缓敏感肌肤，促进皮肤紧致；也可以纺成蛛丝，用于纺织。
6.获得人造蛛丝产品
使用蛛丝蛋白制成的衣服，柔软、耐穿、可生物降解。此外，蛛丝蛋白也可用于伤口敷料和组织工程。
广州持续在合成生物赛道发力
● 通过改造农业含氮废弃物降解菌，生产饲料蛋白，改变我国豆粕进口依赖
● 通过生物合成技术，合成了昆虫性信息素，借此诱捕害虫
● 基于遗传代谢病诊断与治疗的AI+BT全栈开发平台，打破国外诊疗药物专利封锁
近年来，广州在合成生物学这一前沿领域持续发力，出台制定了一系列政策，不断优化创新生态，促进产学研用深度融合，推动合成生物产业创新发展。2024年广州科技创新创业大赛首设合成生物赛道。广州的合成生物产业也正迎来前所未有的发展机遇。
广州合成生物产学研技术创新联盟相关人士透露，广州拥有雄厚的合成生物学基础。科研方面，广州有非常多不同领域的专家学者，在生物技术、生物科学方面的基础非常好；产业方面，广州在生物医药、美容美妆、食品等行业上都拥有强大的产业基础。这都为合成生物学在广州的厚积薄发奠定了牢固的基石。
在近日举办的广州市合成生物产业应用产学研交流会上，记者了解到，广州有多项合成生物研究成果正转化落地，在保障粮食安全、杀灭害虫等领域贡献力量。
华南理工大学罗晓春教授主持的“绿色单循环——低值生物质高值化利用”项目，通过改造农业含氮废弃物降解菌，生产饲料蛋白，改变我国豆粕进口依赖，保障国家粮食安全，获得广东省农业微生物领域十大可应用转化重大科技成果奖。
草食性昆虫对农作物的威胁日益加剧。来自中山大学的副教授夏忆寒通过生物合成技术合成了昆虫性信息素，借此可以大量诱捕害虫，并减少传统化学杀虫剂对环境的影响。
广州少和生物科技有限公司的魏韬博士展示了“基于遗传代谢病诊断与治疗的AI+BT全栈开发平台”，结合人工智能预测分析与CRISPR基因编辑技术，打破国外诊疗药物专利封锁，为甲基丙二酸血症、高尿酸血症等代谢病患者带来福音，这一合成生物成果也受到了投资机构的高度关注。
蛛丝强度韧性远胜蚕丝棉花
看过电影《蜘蛛侠》的观众，都会对男主角依靠蛛丝飞檐走壁、武打格斗的场景印象深刻，蛛丝强韧的特性并非电影艺术夸张，而是有科学依据的。蛛丝蛋白是蛛丝的重要构成，由蜘蛛腺体分泌，是一种结构紧密堆砌的纤维蛋白，类似一个“分子弹簧”，这让蛛丝具有极高的强度和韧性，远远高于蚕丝、棉花等自然纤维。
但在自然界中，因为蜘蛛同类相残的天性，人类无法将它们像蚕一样集中饲养。这也使得蛛丝这一具有优良性质的纤维难以被利用。但如今，利用合成生物学方法，态创生物科技（广州）有限公司（简称态创生物）成功生产出了人造蛛丝，为蛛丝应用打开“新大门”。
蛛丝蛋白应用：从美妆产品到防弹衣
美妆护肤
人造蛛丝蛋白可加入美妆产品中，形成顺滑、透气的保护层，有助于保湿和舒缓敏感肌肤，促进皮肤紧致，在面霜、乳液和面膜中能提供额外的护理效果，亦可以用作面膜、眼膜、敷料等支持材料。
制作织物
态创生物科学家杨刚柱介绍，在纺织领域，蛛丝蛋白具有高强度、高韧性、良好的热导率等特性，制成的衣服柔软、耐穿、可生物降解。
此外，蛛丝蛋白在生物医药领域也可用于伤口敷料和组织工程。
军工芯片
蛛丝蛋白在军工、环境监测和芯片制造中也有应用。比较酷炫的创新应用是用蛛丝蛋白制作防弹衣。杨刚柱表示：“利用蛛丝的特性，生产一件轻薄的防弹衣挡住子弹，也是非常有前景的应用。”
据相关国际专业报告分析，全球蛛丝蛋白市场在2023年的规模为25亿美元。
预计到2031年将增长到94.9亿美元，年复合增长率达18.29%。
目前，蛛丝蛋白在美妆个护、纺织材料领域的全球应用已进展到市场导入阶段。奇华顿、资生堂、阿迪达斯等一批国际知名企业已在市售产品中应用蛛丝蛋白。
合成基础：底盘
合成生物学离不开“底盘”。态创生物科学家杨刚柱告诉记者，大部分的“底盘”其实就是各类微生物。
“底盘”吃下原料 产出物质
在特定条件下，经过改造的微生物“吃下”人类投喂的食物后，就能生产出我们想要的物质，就好像汽车的所有零部件都要安装在底盘上，微生物也构成了合成生物学生产的基石。
细菌细胞都可以做“底盘”
随着生物学的发展，“底盘”种类变得丰富多样，细菌、真菌、植物细胞、动物细胞甚至癌细胞，经过人类的改造后，都可被利用为“底盘”。
大肠杆菌可成为蛛丝蛋白“底盘”
具体到生产蛛丝蛋白，态创生物选择的“底盘”是一种大肠杆菌。实验室首先从数据库中选取力学性质优秀的蛛丝基因序列，之后将一段贻贝足蛋白基因片段同所选取的蛛丝基因片段进行融合，得到性能更优秀的重组蛋白基因。
随后，这段经过改造的外源蛛丝蛋白基因片段就会被诱导进入大肠杆菌内。大肠杆菌“底盘”就被成功“组装”了。之后，人们只要培养足够多改造后的大肠杆菌，并向它们提供营养液，就有望工业化生产重组蛛丝蛋白产品。
驱使微生物“为我们打工”
邓子新院士：合成生物学具有非天然但优于天然的功能
元英进院士：5年内，10种常见处方药的制造速度将提升10倍
谭天伟院士：在当下科技与产业革命中，全球70％的产品可用生物生产
在“造物致用”方面，人类改造微生物，并驱使微生物来“为我们打工”的时代正在到来。
中国科学院院士邓子新告诉记者：“合成生物学是一个学科高度集成、堪比机械工程和土木工程的学科，具有非天然但优于天然的功能。”他介绍，我国已利用生物合成技术研发出药物，“我国原来没有厂商生产维生素E，只能进口；如今通过生物合成技术制造出维生素E，我国也一跃成为生产大国。生物合成改变了国外化学合成的复杂程序，成本低，过程安全，投资少，效率很高。”
中国科学院院士、天津大学教授元英进介绍，合成生物学已成大国战略重地，各国都制定了远大目标。他预计，利用合成生物学，10种常见处方药的制造速度5年内将提升10倍。
中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟表示，在当下科技与产业革命中，全球70％的产品可以用生物生产，有望创造30万亿美元的经济价值，“到本世纪末，在制造业中，生物制造将起到举足轻重的作用，它的产品将横跨诸多行业，包括药物、轻工、化学品、能源、食品等。”
文、图/广州日报全媒体记者武威（除署名外）
