前言

农业是最古老的行业，又是最基础的行业。它已经渗透到人类生活的方方面面，一方面为人类提供基本的吃、穿物资，另一方面还为整个工业社会提供必不可少的基础原材料。未来农业到底应该是什么样子的？关于这个话题的探讨一直没有停止。作为农业从业者，我也一直在思考这个问题。什么样的技术可以真正驱动甚至重塑农业产业呢？这样的技术还有多久可以进入到普通老百姓的日常生活呢？这是我创作这一系列文章的初衷，希望能够通过分享科技前沿的成功故事，窥测未来农业的样貌。

当人们在讨论工业4.0时，更多讨论的是以大数据、5G、人工智能为核心驱动力的智能化时代。很少有人会把现代生物技术作为工业4.0的典型特征和内在驱动。

造一艘航空母舰容易还是造一个细胞容易？

人类已经可以将最基础的原材料设计、制造成最复杂、最精密的仪器和工具。理论上来说，所有生物细胞的最基本构成都逃不出元素周期表。然而到目前为止我们还没有办法用最基本的原材料制造出一个看似简单的细胞。即便是最先进的生物技术手段也只能在一定程度上“改造”某些特定性状。

生物技术的研究和应用已经进入到新的阶段。人们已经可以完成全基因组测序，已经可以合成特定DNA序列和蛋白质，已经可以利用基因编辑等技术对特定基因组进行精准“手术”，甚至已经可以利用DNA作为大数据存贮介质……

2020年5月，麦肯锡全球研究院发布报告《生物革命：创新改变了经济、社会和人们的生活》指出，生物学未来的潜力或将决定人们吃什么、穿什么、用什么，甚至是建设世界的方式。（全文链接：MGI_The Bio Revolution_Report_May 2020.ashx (mckinsey.com)；中文简版链接：20200615192257_372.pdf (ssbt.org.cn)）

鉴于此，我的系列文章可能会更多探讨生物技术将如何赋能农业。当然也不排除大家已经相对熟悉的新型智能机械设备在农业中的应用。如果你感兴趣，附上本系列前三篇文章链接供参考。

静心观世界：科技创新如何赋能农业（一）——AgBiome构建微生物全基因组大数据平台3 赞同 · 0 评论文章静心观世界：科技创新如何赋能现代农业（二）——AgroSpheres将生物纳米材料用于制剂开发2 赞同 · 0 评论文章静心观世界：科技赋能现代农业（三）——Benson Hill云计算+人工智能+基因编辑=育种行业的革命3 赞同 · 0 评论文章

本期将介绍合成生物学领域最具代表性的公司之一Ginkgo Bioworks。

合成生物学

想象一下，全世界几乎所有材料（服装面料、食品原材料、药品、疫苗、数据存储器、人造皮肤甚至脑机接口元件等）都可以用同一种生产方法获得。再想象一下，这种生产方法与传统产业相比更加快速、廉价甚至环保可持续。你一定会觉得这是科幻小说吧。

这其实就是合成生物学（synthetic biology），它将细胞作为“微型工厂”，制造出人类所需要的产品。近几年合成生物学已经成为风险资本最关注的领域之一。

图片来源：synbiobeta: Synthetic Biology Annual Investment Report 2018图片来源：synbiobeta: Synthetic Biology Annual Investment Report 2018

在众多合成生物学公司中，2008年起步于麻省理工大学实验室的Ginkgo Bioworks是这个领域最成功的公司之一。有评论甚至认为Ginkgo Bioworks是为生物合成学产业贡献最大的公司。

从玫瑰精油开始讲起

玫瑰精油产量低、价格昂贵，被称为“液体黄金”。玫瑰精油主要被用来制造高端香水、化妆品、护肤品、药品等。全球每年玫瑰精油的消耗量大约3000-4500Kg，大约80-90%的玫瑰精油来自保加利亚。此外，摩洛哥、土耳其、叙利亚、伊朗等也是玫瑰精油的主产地。（数据来源：Industrial Cultivation of Oil Bearing Rose and Rose Oil Production in Bulgaria During 21ST Century, (tandfonline.com)）

由于多种原因，每年玫瑰精油的产量和质量并不稳定，导致其价格波动非常大。高端化妆品生产商希望能够有稳定的、优质的玫瑰精油货源。然而玫瑰精油本身是非常复杂的复合物，已经发现其中包含的化合物超过300种。因此，通过化学合成的方法来生产玫瑰精油的难度非常大。

如果完全不种玫瑰花，而是像生产啤酒一样，用酵母发酵生产玫瑰精油，这可行吗？

2015年Ginkgo Bioworks应法国著名香水公司Robertet的需求，通过其技术平台研发出可以生产玫瑰精油的酵母菌株。

把玫瑰的特定基因整合到酵母基因组中并发挥预定功能，这不是一件简单的事。Ginkgo Bioworks的科学家们需要重新设计酵母的代谢途径，通过基因编辑等技术手段重构酵母基因组，并不断优化、改进，使得其能够产生最接近自然状态的玫瑰精油。通过这种方式生产玫瑰精油，无疑将改变整个玫瑰种植、玫瑰精油加工产业链。

这个过程中最大的难点在于重新设计酵母代谢途径。玫瑰的香味来自多种不同的化合物，每种化合物的生物合成都需要多种酶参与。而某些在玫瑰细胞中得以工作的酶在酵母细胞中的工作方式可能完全不同。

Ginkgo Bioworks对自己的定位是“生物设计公司”（organism design firm），他们构建了一套非常先进的软件系统，为客户提供定制化服务。通过模拟细胞中的代谢途径，从而设计和预测任何基因修饰将会在对细胞代谢途径产生的互作。

代谢途径设计完成后，Ginkgo Bioworks与DNA合成公司合作，按照其需要合成特定的DNA片段，之后再将这些DNA片段插入到酵母或者其他微生物的基因组中。小试成功后，Ginkgo将这些工程细胞卖给客户，之后通过发酵以生产出客户需要的产品。

通过重新设计代谢途径，Ginkgo Bioworks可以为工业客户提供特定的原材料，如为食品和饮料公司提供香料、甜味剂、蛋白质等，为医药公司提供益生菌，为农业公司提供“天然农药”，为能源公司提供可吸收固定空气中CO2的工程菌等。

Ginkgo Bioworks的农业子公司——Joyn Bio

减少氮肥的应用对于控制温室气体排放具有重大意义。未被利用的肥料会污染水质，降低土壤健康程度，并通过向大气中释放N2O，导致气候变化。其吸热效果是CO2的300倍。化肥的过度施用是农业温室气体的主要来源。

图片来源：波士顿咨询公司《中国气候路径报告》

有效降低氮肥对环境的影响已经成为研究领域最为关注的话题之一。我之前的文章曾经介绍过一家美国创新公司Sound Agriculture开发的微生物激活剂Source可以显著提高植物氮肥利用率。附上链接供参考。

静心观世界：肥料过度使用如此严重，怎么破？2 赞同 · 0 评论文章

根瘤菌与豆科植物形成共生关系，帮助这些植物将空气中的氮转化为植物所需的养分。根瘤菌生产转化的氮能满足豆科植物自身的需要，为周围的非豆科植物提供营养，还可以储存在土壤中提升肥力。

然而根瘤菌只能跟少数作物形成共生关系。玉米、小麦、水稻、棉花等大多数作物都不能直接利用空气中的氮，而需要额外施加氮肥。

2017年9月，Ginkgo Bioworks和Bayer共同投资1亿美金成立一家独立的新公司Joyn Bio，专注于利用微生物固氮，从而降低农业（尤其是化学肥料）对环境造成的影响。Ginkgo Bioworks的主要投资人Viking Global Investors也参投了新公司。

受益于Bayer超过十万微生物菌株资源库和Ginkogo Bioworks合成生物学平台的优势，Joyn Bio将通过“设计”固氮微生物的代谢途径，使其固氮的同时还具备定殖特定作物的能力。将这些微生物开发成种衣剂，播种后与作物形成共生关系，为作物提供养分，进而减少或完全不用氮肥。

Joyn Bio还将开发其他功能的微生物，用合成生物学的手段改造传统农业。目前其首要核心研究领域还是提高作物的肥料利用率。

除Joyn Bio外，还有一些创新公司也采取与其类似的策略，利用微生物为植物提供养分，如美国初创企业Pivot Bio。

Ginkgo Bioworks的业务布局

过去几年，Ginkgo Bioworks已经成长为全球最大的DNA设计及合成公司，他们开发出一套全自动流程，可以自动合成特定遗传序列。Ginkgo Bioworks自己不生产终端产品，而是为其客户提供微生物设计服务。这些技术可适用范围非常广泛，从精细化工到农业再到医药都有丰富的应用场景。

通过资源整合及拓展合作，Ginkgo逐渐向上游拓展，初步构建了一个合成生物学产业生态圈，为其客户提供更加高效且廉价的服务：

2016年6月，Ginkgo Bioworks和Amyris, Inc.结成合作伙伴。Amyris是一家利用工程酵母菌和其他“活体工厂”将植物源糖类转化为小分子碳氢化合物，供其客户用于制造化妆品、香水、香精、清洁剂、润滑剂等。Amyris在巴西有一家工厂，其发酵罐的产能达120万升。通过合作Ginkgo Bioworks能够充分利用Amyris的产能，将其实验室成果放大。2016年9月，Ginkgo Bioworks与Genomatica达成合作协议。Genomatica的核心业务是开发和对外授权用生物途径替代化学途径合成广泛应用的化学品，比如糖。2018年10月，Genomatica获得9000万美元投资。双方的合作范围进一步拓展，以加速推进利用生物法合成化学产品的研究和创新。2017年1月，Ginkgo Bioworks收购了DNA合成领域头部企业Gen9。2019年5月，Ginkgo Bioworks收购Revolution Medicines的子公司Warp Drive Bio，基因组挖掘平台公司。2020年12月，Ginkgo Bioworks收购了生物技术初创企业Novogy，将其菌株资产、知识产权、数据库等与Ginkgo生物工程平台进行整合。

目前为止，Ginkgo Bioworks已经在以下领域进行业务布局：

农业领域

2017年9月Ginkgo Bioworks与Bayer合资成立独立运营子公司Joyn Bio，合作开发新型固氮微生物。2021年4月1号，Ginkgo Bioworks宣布与Corteva Agriscience达成合作，利用合成生物学开发全新的植物保护技术。目前该合作的核心内容是应对外来入侵物种和抗性有害生物作。

食品领域

2016年10月，Ginkgo Bioworks与世界四大粮商的Cargill和ADM达成合作协议，为其定制开发微生物菌株。两家公司将利用这些微生物通过发酵的方式取代农业种植模式以获得特定化学物质、食品原料和工业酶等。2018年11月，Ginkgo Bioworks与生物技术公司Glycosyn宣布合作开发人乳低聚糖（HMO），作为培育健康肠道微生物群产品的核心成分。双方致力于大规模生产母乳中天然HMO并将其用于生产婴儿配方奶粉和其他食品。2019年2月，Ginkgo Bioworks投入9000万美元成立Motif FoodWorks，专注于利用微生物提供下一代蛋白质和食品成分，开发和生产不含动物成分的食品原料，以进入植物肉和替代乳制品市场。

医药领域

2018年9月，Gingko Bioworks与全球最大的工业大麻室内种植公司Cronos Group宣布一项金额高达1.22亿美元的合作计划，以生产多种独特的大麻化合物，为制药行业提供急需的治疗/医药消费品。2019年6月，Ginkgo与Roche达成新的合作协议投入1600万美元发现新的抗生素。2019年6月，Ginkgo Bioworks对Synlogic进行8000万美元股权投资，以达成长期战略合作关系，加速推进生物医药的研发。2020年，面对全球肆虐的COVID-19，Ginkgo Bioworks宣布启动Concentric计划，提供大规模端到端的COVID-19现场测试服务。此后Ginkgo更是利用自身技术优势，与行业伙伴开展合作，开展疫苗研发。

环境治理领域

2020年10月，Ginkgo Bioworks投资4000万美金成立Allonnia，开发能够断开化学键的微生物，以应对环境中的化学污染物。

以Ginkgo Bioworks为代表的合成生物学领域的科技公司正在将越来越多看似不可能的研究成果转变成商品，改变甚至重塑人类世界的每个角落。这是一个快速发展并且潜力无限的全新赛道，它将有可能渗透衣食住行等所有方面，使得真正的可持续发展成为可能。中国目前还没有类似于Ginkgo Bioworks的合成生物学平台公司，但在某些细分领域也出现了几家值得关注的公司。

关于合成生物学在农业领域的应用，目前还处于早期研究阶段。农业及食品行业巨头的加入必将推动农业快速不如下一个阶段。合成生物学对农业的贡献将不亚于几十年前转基因技术对育种行业的重塑。从现有的公开信息来看，国内农业科研似乎在这方面的意识和投入都落后于国外竞争者。希望本文可以给致力于发展现代农业科技的研究人员和企业家们提供一些启发和参考。

下期故事：Indigo，敬请期待