发光的时候到了:光合生物技术成熟了
生物技术产业在很大程度上是一个基于小样本生命的企业。生物技术和生物制造主要由一些细菌、真菌和动物细胞系统主导。拿走大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、黑曲霉、木霉、HEK293和CHO细胞，工业还剩下什么?虽然这些细胞仍然很重要，但如果我们的努力过于狭隘，我们很可能会错过机会。
尽管存在于农业产业中，光合生物技术可能是生命科学领域中最明显的不足。考虑到这一点，这有点讽刺格雷戈尔·孟德尔19世纪基础性的基因遗传研究依靠豌豆植物。
虽然光合生物技术的广泛应用已经落后，但我们预计，最近的进展和工业关注将在未来十年推动重大的商业进步。在通常以异养系统为主的竞技场中，重新开发蓝藻、藻类和植物的努力已经开始产生成果。
为了迎接生物技术的绿色时代，让我们讨论光合生物技术的内在价值，并解决它们面临的挑战，重点介绍我们社区中一些令人兴奋的企业。
为什么要用光合生物技术呢?
现有生物工具的多样化并不是在真空中完成的。它必须解决挑战，创造新的价值。
碳捕获专家
为此，广泛应用的光合生物技术可以帮助解决生命科学领域最紧迫的挑战之一:碳排放。
生物技术和生物制药已经对全球碳足迹做出了重大贡献。从这个角度来看，最近的一份报告据估计，全球生物技术和制药业产生约2.6亿吨二氧化碳2相当于每年，超过造纸和林业工业的总和。除了能源使用、包装、运营和运输产生的碳外，大多数用于制造生物化学和生物产品的细胞系统都会自然地产生CO2．随着生物制造业的不断发展，细胞的数量也会不断增加生产有限公司2．
光合系统提供了一种机制消费有限公司2生产有价值的原料和生物产品。通过采用光合作用系统，公司可以消除大量的碳排放源，并用使用CO的生物工艺取而代之2作为原料，而不是糖和昂贵的营养混合物。鉴于许多生命科学公司的目标是实现净零排放，采用光合生物技术是一个务实和经济的解决方案。
更进一步，光合生物技术固定碳的能力也可以应用于其他领域。例如,普罗米修斯的材料开发了一种专利生物技术，利用微藻中类似水泥的粘结物质来生产生物基混凝土砖．普罗米修斯公司的目标是利用其技术来遏制水泥的巨大碳足迹，这相当于约占全球排放量的8%．
收获有价值的代谢物多样性
P光合成生物还提供了大量独特的生物化学物质和代谢物．植物和藻类是地球上最早的化学家，能够制造各种各样的化合物来生存。许多由光合生物产生的天然产物在社会中具有天生的潜力。一个恰当的例子:在长期使用的药用植物物种中发现水杨酸酯导致阿司匹林(乙酰水杨酸)的开发，在制药工业的崛起中发挥了巨大的作用。没有早植物的研究在美国，制药工业就不会像我们今天所知道的那样存在。虽然光合生物的天然产物研究在药物发现，其应用范围横跨功能化妆品，食物，饮料甚至更远。
多组学分析和人工智能的持续快速发展使得在这些生物中发现生物活性分子变得更容易。反过来，一些公司正在积极探索光合生物的自然代谢产物。举个例子，Brightseed使用它的觅食器®系统了解植物物种的代谢组学多样性，为食品和消费者健康产业发现分子产品。
生产重组基因产品
光合生物为制造重组基因产品提供了机会．光合生物制造底盘的加入将为寻求表达新型生物分子的生命科学公司提供更多的选择，提供独特的优势，补充传统系统。
例如，大多数光合生物含有适当折叠复杂真核生物蛋白质所需的细胞机制。此外，光合细胞不像许多常见的哺乳动物细胞系统那样容易受到人类病原体的影响。因此，采用光合生物过程提供了一种机制来产生适当折叠的蛋白质，同时降低与哺乳动物细胞培养中发现的人类病原体相关的污染风险支原体和病毒就像疱疹腺病毒和副流感)。光合生物产物和生物过程通常也“无动物起源”。这为制造商提供了显著的安全优势，降低了监管风险，同时也吸引了有动物意识的消费者。
一些生物制药公司已经采用了植物生物制造．辉瑞的高雪病药物Elelyso®(一种重组糖脑苷酶)是2012年fda批准的第一种用植物细胞制造的药物。更进一步,植物疫苗已经成为行业的重点。去年,Medicago美国烟草培育的COVID-19疫苗被发现被证明可以有效预防多种变体的COVID-19．甚至在最近，赢创推出了一种苋菜油衍生的角鲨烯(PhytoSquene®)用于佐剂中，作为动物角鲨烯的替代品，通常来源于鲨鱼鱼肝油。
光合生物技术甚至可以作为药物传递机制。例如，研究人员已经探索了用于输送药物的微藻细胞．值得注意的是,腔生物科学是否积极探索临床应用螺旋藻为基础的口服重组蛋白疗法．
克服光合生物技术和生物制造的持续挑战
如果光合生物技术有这样的希望，为什么生命科学的更广泛应用直到现在还落后呢?这可以归结为研究基础设施和它们的基本生物学。
光合生物技术获得更广泛吸引力的主要障碍是它们通常很少被研究和探索。很少有资源用于理解光合生物的自然和异源基因表达开发有效的基因工程方法以更好地控制其商业应用。
最初，分子研究人员发现并研究大肠杆菌因为它是人类病原体。最终，这项研究帮助确定了大肠杆菌作为一种特殊的耐寒细菌物种，可以作为一种生物工具。同样，研究人员研究了酿酒酵母”S的应用，因为它在烘焙和酿造的历史悠久。在这两种情况下，研究人员都使用这些生物进行了额外的活动，因为已经有大量的工作可以在此基础上进行。一旦这些系统的工具上线，就进一步巩固了它们在生物技术和生物制造中的应用。富人越富的经典案例。
为了解决这一挑战，一些公司选择为其选择的光合系统建立基础设施，向合作伙伴提供核心技术。通过提供一个完整的平台，这些组织可以帮助其他人识别、开发和商业化光合系统的产品。例如,Phylloceuticals专注于通过其Phytopharma作为可持续技术(PhAAST™)平台使用转基因植物制造蛋白质疗法。使用烟草或浮萍(浮萍属。)生物生产模式，PhAAST平台通过覆盖从载体优化和产品开发到监管策略和制造自动化的技术差距，帮助推动药物制造和商业化。同样的,我们微藻生物制造平台的目标是解决过去大规模微藻生物生产的挑战通过向合作伙伴提供将微藻生物产品推向市场所需的关键技术基础设施。
用新的基因工具解决基本生物学的复杂性
由于光合生物的基本生物学特性，许多商业企业要么回避，要么难以应用光合生物。首先，对耕地的需求和许多光合生物缓慢的生长速度阻碍了它们的工业应用。然而，使用新的养殖方法，更有效的菌株和使用快速生长的水产养殖物种的生物过程，如微藻和浮萍避免这些问题。
此外,细胞壁通常使转化和基因工程策略更具挑战性．光合生物多倍体也更常见。光合作用基因组中更大的冗余会使基因敲除的产生复杂化。
因此，从历史上看，对光合生物进行精确的基因工程更加困难。几十年来，研究人员缺乏在光合细胞中进行特定位点基因工程的工具。的植物基因工程的主要历史方法是利用农杆菌该方法随机将DNA片段插入到核基因组中。尽管农杆菌转化使得将重组基因添加到光合细胞中成为可能，但其缺乏特异性往往需要进行大量的筛选工作，以确保构建物能够有效地产生靶蛋白。它也仅限于特定的主机范围。
最近，其他方法的光合细胞转化已开发和探索植物和藻类．粒子轰击由于其寄主范围广，DNA掺入效率高，已成为光合生物的重要策略。粒子轰击对具有重组遗传信息的工程质体也特别有用。
此外，CRISPR系统的出现为更复杂的技术打开了大门光合生物的靶向基因工程对于这两个农业和生物技术应用．作为一个有趣的用例，成对采用CRISPR技术，创造出更具消费者吸引力、营养价值更高的植物性食品，包括无籽浆果、无核樱桃和营养丰富的沙拉蔬菜。
导航复杂的基因调控和基因沉默
由于它们的环境生态位、倍性和与光的关系，光合生物发展出了严格控制其基因表达的机制。特别是许多光合生物进化出强大的基因沉默机制特别是减轻外来致病遗传信息。因此，在这两种情况下，转基因通常都是沉默的植物和藻类，导致低表达。
通过成长生物信息学和机器学习在美国，研究人员已经提高了他们的能力预测和理解基因功能和监管。越来越多的研究人员能够更好地理解沉默的触发因素，并识别导致靶基因表达的信号通路。此信息可以应用于r合理设计启动子和载体利用先天机制来增加天然和转基因的目标表达。
虽然可以预见到许多应用程序，但是大紫番茄代表一个引人注目的插图。通过用金鱼草转录因子转化靛蓝玫瑰番茄研究人员能够激活潜在的花青素生产基因，这些基因通常在番茄果实中被沉默。结果，诺福克植物科学生产富含这些抗氧化剂的西红柿，为消费者提供这两种抗氧化剂健康的好处和延长保质期．已于2022年获得美国FDA批准在美国，消费者很快就可以在他们的杂货店里看到这些紫色的西红柿了。
另外，我们现在知道了叶绿体中不存在沉默机制．因此，叶绿体工程代表了表达转基因而不需要与表观遗传沉默斗争的另一个关键方法。
也很明显光照条件与基因调控密切相关．由于这些生物依赖光来产生生存所需的物质，植物和藻类具有高度调优的机制适应不断变化的环境条件．因此，为了充分利用光合生物的代谢和生物制造潜力，研究人员需要能够帮助破译光照条件对基因表达和制造生产率的影响的工具。事实上，我们精密光合作用™技术利用高度控制的光系统和集成反馈机制来优化微藻光配方，用于生物质和目标产品表达。
成长空间
光合生物技术不再局限于农业，它为生命科学公司提供了创造突破性和可持续产品的新机制。虽然制药行业是光合生物技术深入扎根的最明显领域，但化妆品、食品和饮料成分、特种化学品和大宗商品等依赖石油的商品对生物替代品的需求越来越大。全球最大的香水和化妆品原料公司之一奇华顿(Givaudan)最近就是这种转变的例证从阿米瑞斯那里获得了某些化妆品成分，包括Neossance®半硅烷，一种植物基硅胶替代品。
简单地说，现有的异养生物制造系统根本不能满足所有这些需求，特别是在昂贵的原料和碳密集型生物过程的背景下。也就是说，我们在工业光合生物技术领域要继续努力，使这些技术具有成本效益和技术上的可行性。开发光合生物技术的公司必须继续降低进入更广泛的生命科学领域的门槛。
在这样做的过程中，更多的企业将选择将光合作用吸收到他们的工作中。我们预计光合生物技术将进一步发展，最终达到全世界已知的细菌、真菌和哺乳动物系统的标准。
关于作者
克里斯·费舍尔博士- - - - - -克里斯·费舍尔是一位化学生物学家和科学传播者，他热情地倡导生命科学在社会中的重要地位。目前，他领导Provectus Algae的科学事务，这是一家生物技术公司，为关键化学品和生物制剂的大规模生产开发光合生物过程和生物制造技术。Chris擅长将科学信息传递给内部和外部各个专业层面的利益相关者，以更好地服务于生命科学界和整个社会的需求。他为许多公司和组织制定了有效的战略，从初创企业到一些世界上最大的生命科学公司。克里斯在波士顿地区工作，拥有加州大学圣地亚哥分校的博士学位。
Guillaume Barbier博士- - - - - -纪尧姆·巴比尔(Guillaume Barbier)是Provectus Algae公司研发副总裁。Gui在生物技术领域拥有超过15年的领先研究科学家经验，此前曾在Ginkgo Bioworks, Joyn Bio和Novozymes任职。在他的职业生涯中，他非常重视生物可持续性倡议，包括那些增强和利用光合系统的倡议。他还在合成生物学、蛋白质工程和纯化、代谢工程、发酵和高通量项目设计方面拥有广泛的专业知识。他还在蛋白质和代谢工程领域拥有超过6项专利。在澳大利亚的努沙，Gui领导了Provectus Algae的微藻库、生物发现平台、合成生物学工具包和生物工艺开发工作。
Nusqe Spanton- - - - - -Nusqe Spanton是Provectus Algae的创始人兼首席执行官。Nusqe是水产养殖和藻类专家，在国际水产养殖生产、海洋生物技术和企业管理方面拥有近20年的工作经验。Nusqe的使命是使可持续的生物制造成为广泛的商业现实，使用微藻底盘将光和二氧化碳转化为关键的特殊成分。通过应用现代自动化、机器学习和合成生物学方法，Nusqe和Provectus Algae正在释放微藻的全部潜力，使其成为生产高价值化学品和生物制品的可行和可扩展途径。Provectus Algae的端到端生物制造平台，由其精密光合作用™技术提供支持，在各种行业中具有深远的应用，包括食品和饮料，化妆品，农业，治疗等。
