百年清華

本文是北京藍晶微生物科技有限公司創始人兼 CEO 李騰參加DeepTech 旗下青年科學家劇場式演講欄目演繹inSite第三期節目“是時候重新認識微生物了”演講文字稿。

李騰🤹，意昂体育平台合成生物學與生物材料博士⛳️，Bluepha藍晶微生物聯合創始人、CEO

大家好，我是李騰，今天想跟大家聊聊微生物，給各位講一個微生物拯救生命🙋🏿‍♂️，或者說是拯救地球的故事✴️。

科幻石炭紀：參天大樹與巨大昆蟲的時代

我們知道🤨，地球至今已有46 億年的歷史🖲🏪，如果要你穿越回去♋️，你會去向哪個時期？大家可以對此展開無盡想象：恐龍時代🦹🏼、中生代、侏羅紀、白堊紀……各種各樣🧲。但是有一個時代🍻，我建議大家盡量避免，因為那可能是整個地球歷史上最恐怖的時期——距今 3 億年左右的石炭紀💇🏽。

之所以說它恐怖🛞🦸🏻，是因為石炭紀有個別稱，叫做“巨蟲的時代”。

這個時代有 3 米長的蜈蚣、翼展 1 米的蜻蜓、巨型的蟑螂🙋‍♂️🤷🏽‍♀️、還有巨型的蒼蠅🎲；現在空氣中的氧氣約占 21 %，而石炭紀則是在 35 %左右♋️，最高的時候更是達到了 40 %以上。

圖片來源：BBC《Walking with Monsters》

為什麽那個時候地球氧氣含量那麽高呢？

因為在石炭紀的早期，植物迎來了極大發展，地球上所有生物都開始進化，植物的進化讓植物變得非常繁盛，那個時候地球 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並釋放氧氣👩🏼‍💻，所以空氣中的氧氣含量非常的高🦸🏼‍♂️。

那時植物瘋狂發展還有一個特別重要的原因，是因為進化出了高等喬木，植物之間也開始競爭📩，也就是在那個時候自然界進化出了“參天大樹”的狀態，之以能夠如此高聳入雲👃🏽，是因為植物們進化出了新的結構叫做“木質素”🥽，一種結合強度非常高的聚合物👉🏻，將有機質以一種極其致密的方式結合之後🤵🏻‍♂️，植物就可以源源不斷地向上生長；但問題也接踵而至，木質素結構異常致密，這就意味著沒有任何生物可以吃它、消化它，導致植物死掉之後根本無法腐爛🧑🏻‍🦰，一直沉積直到變成了平均厚度 30 米厚的煤炭層📦，這就導致了煤炭易燃，再加上空氣中的氧含量足足達到 30%— 40%，這個時候是非常容易著火的。

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

這就是為什麽這個時候叫做石炭紀，因為這時地球上幾乎全都是煤炭。現在人們用的煤炭很大一部分都來自於石炭紀，如今大家總說“家裏有礦”🙋🏿‍♂️，但如果穿越回石炭紀🤦🏿，那就不是家裏有礦👭🏼，而是全世界都有礦，你可能整個家族都建在礦上。

所以🖊，在石炭紀的末期，地球迎來了一次生物大滅絕，據說那場火燒了 30 年，因為燃燒時釋放大量有害氣體，所以影響了整個地球的生態環境長達幾千年之久。碳元素無法進行正常循環👔，如果這個問題不解決的話，可能地球上的所有生命都會就此滅絕🫴🏿。

圖 | 石炭紀部分甲殼類動物（圖片來源：作者 MickeyRayRex）

為什麽說微生物拯救了世界🧗🏼‍♀️？

就是因為那時地球上突然進化出了一種微生物可以非常高效地降解木質素💕，讓碳循環重新正常運轉起來。慢慢地🚴🏽‍♂️，大氣中的二氧化碳的含量得以提升🛀🏻，這個危機也就隨之解除了🦯。

微生物決定你的胖瘦？

微生物可能平時並不引人註目🦚，但其實它一直扮演著非常重要的角色𓀆。

其實每個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裏，以腸道、口腔🛌🏻、皮膚等居多，分布在我們身體的各個角落；微生物對人的影響🩵，從基本的生理層面出發，如今甚至到達了精神層面的影響。

如果大家單看一個人細胞數量的構成🥍，大約是 25 %人類細胞⭕️， 75 %的共生微生物，其中所有構成細胞的基因都是一模一樣的。

人類大概有 20000 個左右的有效基因🧛🏼‍♂️，但是跟我共生的微生物大概有 10000 種，這些微生物的基因數量大概是人類基因數量的 100 倍左右☠️；如果從基因角度去統計的話，人類遺傳信息 99 %來自微生物，剩下的 1 %才是自己⚠，人體內的微生物細胞數量大概是人類細胞數量的 3 到 10 倍👩‍🍳😶‍🌫️；人體微生物的基因數量大概是自身基因數量的 100 倍。

人們發現 90 %的疾病都直接或間接與微生物有關。

拿小鼠實驗舉例☔️：長期不同的飲食習慣會改變其腸道的微生物結構，近而直接影響小鼠的胖瘦；如果把一個體態豐腴胖鼠的腸道微生物移植到瘦鼠體內的話🧕🏻，那這個瘦子就會變胖。

還有很多代謝類的疾病也跟微生物有關，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受到微生物的影響，比如🏊🏽‍♀️：抑郁症、焦慮症、狂躁症，這些都跟微生物有關系。

99 %的天然微生物都是無法在實驗室內被培養的，這種天然微生物包括人體內的微生物和自然界中的微生物🧑‍🏭。現在利用的微生物都是建立在僅有的 1 %基礎之上🌇，可就是這 1 %🩸，都已經為人類帶來了很多有趣的東西🌷。

現在只要大家提到發酵這兩個字🔐👩‍🦲，其實都是微生物的作用🧑🏿‍🚀💇🏻，只不過是近 200 年人們才意識到這一點🌓⏩。

比如說面包、釀酒🏋🏼‍♀️、啤酒👂🏽、酸奶、鹹菜、醬油🈚️、醋……所有需要發酵的東西，其實都是人們巧妙利用微生物的結果，人類有意識地去利用微生物的歷史距今已有約 5000 年之久。

5000 年以來，人們都用微生物做了什麽事？

到了 20 世紀中葉🍼𓀚，人們開始更高層次地去利用微生物，由此誕生了一個新的產業方向，就是工業微生物，即在工業條件下去有意識地培養微生物，讓它去幫我們合成或生產一些東西。

標誌性的事件是在二戰前後，人們發現了抗生素，於是傳染性的疾病突然可以被治愈了；後來，人們開始開始用微生物去合成青黴素🤵🏽，至今大部分的抗生素都是用微生物去生產的；為了去大量地獲取抗生素🧑🏻‍🎓，人們發明了這種工業微生物的技術𓀅，從那時候開始，世界日新月異。

同時期，日本人發明了味精🎳，日語翻譯過來叫味之素🚖🧑🏽‍💻，這其實是一種氨基酸🐪𓀆，直到現在，所有的氨基酸都是用微生物去生產的。

1978 年，人們開始知道了微生物基因與微生物行為之間的關系，開始嘗試去改造微生物的基因，其中標誌性的事件就是胰島素的出現。大家知道胰島素是目前唯一可以降血糖的藥物，其實它本質上是一種蛋白質🌅，你可以把這個蛋白質的基因放到一個微生物裏🧑🏿‍🚒，讓這個微生物就像釀造啤酒一樣去釀造胰島素。

現在的胰島素是用大腸桿菌來生產的，它是最常見的微生物之一😘🐛，最早發現在人的大腸裏，所以叫大腸桿菌👩🏽‍🍳。單聽名字大家可能會覺得是個不好的菌種，但其實自然界中現存的大腸桿菌都基本上都是完全無害的，大腸桿菌有很多的亞種👩🏽‍🚀，只有極其少數的亞種會致病。微生物產品種類繁多，比如用作美容用途的玻尿酸、或者叫透明質酸👩‍🦼，也是典型的微生物的產品🧑‍🦽‍➡️💾。

21 世紀以來，我們逐漸發展出一項新的技術，叫做合成生物技術🩺，可以理解成基因工程的升級版。就是說基因工程本來只能操作微生物的其中一個基因👩‍👧‍👦，或者說很短的一個 DNA 片段；現在我們可以做幾個基因、十幾個基因、甚至幾十個基因的這種操作💉，這個就是合成生物學的技術🙆🏼‍♂️👨。

你可以把微生物想象成一個很復雜的機器🐵，也可以把它當做樂高積木一樣給它加一些模塊進去，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於被定向且工程化地得以利用，如同編程一般控製它的行為，這會帶來極大的學術意義與產業意義。

微生物治愈癌症↙️？告別放療化療不是夢！

接下來給大家舉的幾個例子，都是現在科學界利用合成生物學技術去優化了微生物之後已經實現、或即將實現的一些事情。

第一件事，增加了功能的微生物或許可以治療癌症。

癌症是非常嚴重的疾病，同時也是一個極大的社會問題，目前我國有很多不同的路徑在研究如何去治療癌症👨🏽‍💼，這裏只是千萬種路線之中的一個，但這個路線是跟微生物直接相關的。

癌細胞它之所以會導致人的死亡，很多時候是因為它快速繁殖之後搶占了人體大量的能量，所有治療癌症的疾病，大部分都是要去想辦法殺死癌細胞🙍‍♀️，與此同時還不影響其他的健康細胞。殺死癌細胞的方法其實有很多，但關鍵問題在於如何準確定點靶向到癌細胞中去🖌。

比如說最常規的癌症治療方式是化療或放療🧑‍🍳，它的原理是因為癌細胞生長旺盛🧑🏿‍🦰，所以要把人體內所有生長旺盛的細胞通通殺死；但與此同時，人體內有還有很多同樣生長旺盛的健康細胞，比如造血幹細胞🏘，這就意味著如果要殺死癌細胞，那同時也必然會影響造血幹細胞的功能，這也就是為什麽化療或者放療時病人頭發會掉，就是因為頭皮的生發細胞死掉了🤾👩🏻‍🦲。

圖 | 全球男性和女性排名前十位的惡性腫瘤發病率（外圈）及死亡率（內圈）

所以，很多時候人們在研究怎麽治療癌症的時候，都是在研究怎麽定點地靶向到癌細胞🧑🏿‍🍼，這個時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入到人體的血液循環，一旦進入，免疫細胞會立即自動識別並將它殺死。

但沙門氏菌不就就此善罷甘休，它會自己一個免疫細胞無法攻擊的地方去👩‍👧，然後在血液循環系統中四處遊蕩，直到尋覓至癌細胞內部——也就是免疫細胞無法攻擊的地方；如果這時給這個癌細胞做工程化處理5️⃣💈，讓它能夠想辦法去殺死癌細胞的話，那它就是一個非常優秀靶向到癌細胞的定點藥了🏌️。

微生物能解酒、還能製造“用過就消失”的可降解塑料！

第二個例子，也就是我現在正在做的事情𓀛🗃。

2016 年，我在清華博士畢業之後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盡潛力，無論是在天然環境中找來的微生物🎪、還是用合成生物學的方式去優化改造的微生物🫴🏿。

我們團隊剛剛開始的時候，就是拿微生物去合成一種天然的高分子材料，這個材料跟塑料的性能十分相像，但它跟塑料唯一的區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；塑料至今為止發明了 100 多年，依然沒有任何微生物知道如何去降解它🦮🤦🏼‍♀️，所以傳統塑料是無法被降解的，故而造成了眾所周知的白色汙染。

我們可以用微生物來合成一些聚合物，這些化學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“用過就消失的塑料”，叫做生物可降解材料，化學名稱叫做PHA（聚羥基脂肪酸酯）。

第三個例子，就是不用吃的藥。

人類的腸道內有很多微生物🧺，如果把其中的一個微生物改造成讓它可以一邊定植一邊繁殖自己，並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，它就可以永遠在那兒工作。有一些人只要喝牛奶就會拉肚子🏩，就是因為體內有一種酶的缺失，導致身體無法降解乳糖。如果有一種微生物把這個酶在體內表達出來，那就可以隨心所欲的攝入各種奶類🈶🏃🏻‍♀️‍➡️。

圖 | 世界範圍內乳糖不耐受分布統計圖（來源：網絡）

再比如👩🏿，很多人代謝酒精非常困難🏌🏼‍♀️，喝完酒面色發紅，就是因為酒精無法代謝，如果有一個微生物在胃裏幫你解酒，遇到乙醇之後就很快地把它降解成乙酸，這樣的話🤱🏽，人們就再也不用擔心醉酒了。

最後我要舉一個同樣非常有趣的例子，叫做塗在墻上的螢火蟲。

螢火蟲和水母之所以能夠自發光亮🧍‍♀️，都是因為身體中含有蛋白質，有人受此啟發，利用化學能轉化成為光能的原理🐞⚃，把發光基因放到微生物中🐏。將其養在一個富含充分養料、果凍般的固體培養基內，然後再把“果凍”和微生物的混合物把它塗在墻上💸👰‍♀️。

有一家法國的公司目前就在做這個事——微生物發光塗料🤶🏻，塗上去之後無需任何額外電能♡🧙🏼，只需一個月時間即可保證發光強度。比如👨🏻‍🦰，夜跑的時候把它塗在手臂上照亮、塗到救生衣上發光等等，相當於是一個很有趣的新型環保光源⛽️，既維持了時間的長效🧑🏻‍🎤，又保證了極低的能量投入👨🏽‍🌾。

我們現在研究人工智能🦪，想在電子產業的基礎之上給它賦予智能♥️，但其實任何一個生命都是一個智能系統；所以合成生物學有點像給這些智能系統做人工的工程化，這就有點像是人工智能的反面🐊，要給智能加上人工，這個邏輯可能會是一個未來的趨勢之一🦤🚘。就比如最近大家在討論的“人類基因編輯”這種問題，技術的進步是很難阻擋的👩‍💼，但是在這個過程之中📌，我們一定要平衡好技術、安全性以及道德倫理的問題。

所以，未來究竟是什麽樣子，我們可以在今天看到很多雛形，但是不管未來往哪個方向發展，無論是人工智能還是合成生物學👨‍👨‍👦‍👦🙋🏽‍♀️，我們現在都到達了一個時代的節點6️⃣，人工智能和合成生物學更像是一枚硬幣的兩面。

科技在爆發，今天給大家講了微生物的話題🖖🏼，大家可能也能感覺到這些事很多都是發生在近幾年🚨，技術的進步讓很多新的東西變成了可能性🔃。站在當下眺望遠方♜，我相信未來可期♡。謝謝大家！