時事分析 | 創新及科技發展 | 2019-05-09 | 《經濟日報》

合成生物學機遇(上):李嘉誠為何力捧?



香港首富李嘉誠透過旗下風投基金維港投資,押注於高科技企業,向來眼光獨到,包括早着先機投資Facebook、Skype等企業[1],最近在美國上市的雲端視像會議公司Zoom,早年也是由維港投資當上首個機構投資者。[2]

一個無寶不落的投資者,其投資動向自然備受矚目。近年維港投資目光投向的合成生物學(Synthetic Biology),便頗值得討論。該領域與人類福祉攸關,去年李嘉誠接受內地傳媒訪問時更形容,合成生物學是「極具顛覆性的技術……合成生物經濟的大顛覆將覆蓋各行各業,無國界。」[3]

事實上,合成生物學早已廣受風險投資界關注,維港投資並非特例,業界組織Synbiobeta數據顯示,2018年美國98家合成生物公司合共融資38億美元,金額較前年翻逾一倍。[4]到底合成生物學有什麼潛力?

什麼是合成生物學?

根據美國20多間大學及生物科技公司組成的非牟利組織「工程生物學研究聯盟(Engineering Biology Research Consortium,簡稱EBRC)」[5],合成生物學是指設計及構造新的生物實體(biological entities),如細胞、酶(enzymes)及基因迴路(genetic circuits),又或重新設計現有的生物系統。[6]

合成生物學將工程原理應用於生物學,就像工程師基於材料的已知物理特性,排列不同的電子零件,設計和製造集成電路,以執行特定功能[7];在合成生物學中,酶、基因迴路便是核心的生物零件,生物學家設計和建造這些生物零件,按特定性能標準將之模型化和調整,然後將零件組裝成集成生物系統,從而解決目標問題。[8]

合成生物學造成顛覆性改變,最受矚目的例子之一,就是令抗瘧疾藥物不再昂貴。以往治療瘧疾的青蒿素,需要從植物黃花蒿提煉,然而現時黃花蒿的種植量,根本難以應付全球抗瘧疾藥物的需求,而且以這種方法提煉,成本亦太高。[9]

美國加州大學柏克萊分校化學及生物分子工程教授Jay Keasling與他的研究團隊[10],卻發現只要把黃花蒿與酵母菌的幾個基因植入大腸菌,便能生產一種青蒿素的前驅分子(precursor),該分子經過簡單的化學步驟,就會成為青蒿素。其後團隊又找到一個基因,把它與先前的基因一起送入酵母菌中,酵母菌便能生產比青蒿素更接近抗瘧疾藥的化學分子,生產效率提高15倍,預期會令製藥成本大幅降低。[11]

應用覆蓋各行各業

合成生物應用範疇廣闊,目前在醫藥、環境、能源和食品等方面均有進展。上述的Jay Keasling教授更成立了合成生物初創企業Demetrix[12],繼續研究利用酵母菌和發酵,製造原須從大自然提取的藥物成分[13]──該公司也有獲維港投資參與種子輪融資。[14]

Demetrix的首個項目,為作醫療用途的大麻素的商業生產,Keasling於今年2月發表論文,指成功將控制大麻植物代謝過程的已知基因序列,轉移到酵母菌中,經過一系列的化學反應,最終合成出兩款最常見的大麻素,其成本估計相等於或低於透過種植大麻提取大麻素,此技術更可製造出罕見的大麻素。[15]

另一間設計和製造合成生物藥物的初創企業Synlogic,則研發了一款可治療罕見遺傳病苯丙酮尿症(phenylketonuria)的藥物。[16]該款藥物去年已獲得美國食物及藥物管理局(FDA)的快速審查認定,進入成人人體臨床測試階段。[17]

此外,美國麻省理工學院(MIT)的合成生物學及軟性活性材料研究小組聯手,研發出一款可植入活細胞的生物相容水凝膠。該款活細胞經過基因編輯後,與水凝膠的某些化學物質接觸時,便會發光,可用於探測環境中的毒素或皮膚疾病。[18]

合成生物 Vs 基因改造

看畢以上例子,讀者或對合成生物學及基因改造的分別有所疑惑。其實兩者的差異,重點在於設計規模。其中,基因改造主要透過微細的DNA修改,包括移除和插入不同的基因,從而產生巨大影響。[19]例如,有外國研究人員為研究貓愛滋病毒,利用基因改造技術,將從水母中分離的綠色熒光蛋白,插入貓的基因組中來培育貓胚胎。[20]

至於合成生物學,則是以大規模設計、建造全新基因組為目標,當中可能修改數以千計的DNA 結構成分鹼基對(base pair)[21],並運用工程學概念設計測試。[22]合成生物學先驅J. Craig Venter創立的研究所,不斷研究以合成生物技術控制能產生物燃料和化學物質的藻類,冀最終能創造新藻類菌株。[23]有合成生物學家認為,透過合成生物學組裝而成的新生物系統,不能從自然演化而來,應被視為新物種,甚至應被分類為一個獨立的生命領域。[24]

基因模組化 「砌積木」快速建生物系統

合成生物學今天能促進生物學在不同範疇的發展,可說是受惠於合成生物學家Tom Knight將工程思維應用於生物學,其提出將DNA片段連接的方法標準化,即每次皆使用相同方式組裝生物零件,讓DNA片段像砌積木般,一個片段接一個片段連續組裝下去,組裝成為生物設備,甚或成為一個生物系統,形成以生物零件為基礎的工程框架。[25]

Tom Knight又創辦了一年一度的國際生物合成學競賽iGEM(international Genetically Engineered Machine),並將競賽中各團隊使用過的生物零件與使用經驗,彙整成生物零件庫,讓全球科研團隊共享。換句話說,研究團隊在組裝生物系統時,無需每一步「盲舂舂」進行無數試驗,只要按特定方法組裝,便會達到預期的效果,大大減省研究的時間。[26]

更環保及可持續發展?

研究團隊在實驗室中培育出全新的生物系統,對地球環境可能有好處,如Demetrix宣稱,他們無需種植植物,已可生產該植物中具藥用價值的成分,做法更有效率及環保。[27]另外,為滿足人類吃肉的需求,同時減少飼養牲畜所排放的大量溫室氣體,多間人造肉初創企業開發了由細胞培育的肉類,認為取代飼養畜牲是更可持續的做法。[28]

合成生物學對改善人類福祉有莫大潛力,不過也不宜過分吹捧。牛津大學一項新研究便質疑,以細胞培育肉類是否有助應對氣候變化。該研究指,這些企業仍在實驗室小規模培育的階段,亦未有公開人造肉生產過程的實質數據,估計人造肉短期內有幫助,但長期未必可減少溫室氣體排放。[29]

潛在危機:食用安全、生化武器

合成生物學的爭議又何止這些?其產物的食用安全同樣惹消費者關注。人造肉企業Impossible Foods製造的植物漢堡肉,所含有的關鍵成份「大豆豆血紅蛋白」,便曾成為爭議點,FDA一度亦對其安全性表示擔憂[30],直至去年得到更多該公司提交的研究文件,FDA才表示對大豆豆血紅蛋白製劑在預期使用條件下,用於類似碎牛肉的產品沒有疑問(have no questions),但若作為顏色添加劑,則須再次申請審批。[31]面對消費者近年愈來愈多的憂慮,美國政府兩大食物安全監管部門FDA及食品安全和檢驗署,3月時落實共同監管用家畜和家禽細胞培育食物的生產。[32]

在國家層面,合成生物技術更可能被不法分子利用,製造生化武器。美國國家學院(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)去年發表《合成生物學時代的生物防禦(Biodefense in the Age of Synthetic Biology)》報告,指出合成生物學帶來多種潛在威脅,包括重建已知的可致病病毒、使細菌和病毒更具殺傷力,以及通過合成製造有害的生物化學物等。報告提醒當局監察合成生物的發展和制訂應對策略。[33]

在歐洲,歐盟沿用監管基因改造的法例,監管合成生物的研究和產品,但相關法例有不少模糊的地方,如對基因改造生物的定義,指明「其遺傳物質不會以自然發生的方式改變」,但部分基因編輯技術利用天然存在的基因修飾和修復系統,令定義是否適用於基因編輯技術的產品出現爭議。[34]不過,歐洲法院於去年中裁定,基因編輯農作物的法律地位與基因改造生物相同,需作廣泛風險評估,才可種植或出售[35],可以預計歐盟在監管合成生物發展方面不會手軟。

合成生物學或會為世界帶來翻天覆地的改變,但改變是好是壞,全看人們怎樣應用技術。香港若要在合成生物領域有所作為,除了提升研發能力,制度能否趕得上技術應用的一日千里,也是關鍵。

1 Shu-Ching Jean Chen, “Li Ka-shing And Horizons Ventures: The Making of A Venture Powerhouse,” The Forbes, March 12, 2014, https://www.forbes.com/sites/shuchingjeanchen/2014/03/12/li-ka-shing-and-horizons-ventures-the-making-of-a-venture-capital-powerhouse/#6b8df47631b0.
2 「李嘉誠注資 Zoom首日上市曾飆逾83%」,最自信報財經新聞網站: https://www2.hkej.com/instantnews/international/article/2115449/李嘉誠注資+Zoom首日上市曾飆逾83%25,最後更新日期2019年4月19日。
3 王端、王爍,〈李嘉誠:著眼未來〉,《財新周刊》,2018年3月26日。
4 Calvin Schmidt, “These 98 synthetic biology companies raised $3.8 billion in 2018,” Synbiobeta, https://synbiobeta.com/these-98-synthetic-biology-companies-raised-3-8-billion-in-2018/, last modified December 19, 2018.
5 “About us,” Engineering Biology Research Consortium, https://www.ebrc.org/about, accessed February 26, 2019.
6 “What is synthetic biology?,” Engineering Biology Research Consortium, https://www.ebrc.org/what-is-synbio, accessed February 26, 2019.
7 “What is synthetic biology?,” Engineering Biology Research Consortium, https://www.ebrc.org/what-is-synbio, accessed February 26, 2019;「被動元件」。取自Renesas網站:https://www.renesas.com/tw/zh/support/technical-resources/engineer-school-tw/electronic-circuits-01-passive-elements-tw.html#coils,查詢日期2019年2月26日。
8 同6。
9 王道還,「以酵母菌生產鴉片」。取自科技大觀園網站:https://scitechvista.nat.gov.tw/c/GNyt.htm,最後更新日期2015年9月1日。
10 “Jay D. Keasling,” UC Berkeley, https://chemistry.berkeley.edu/faculty/cbe/keasling, accessed February 28, 2019.
11王道還,「以酵母菌生產鴉片」。取自科技大觀園網站:https://scitechvista.nat.gov.tw/c/GNyt.htm,最後更新日期2015年9月1日。;楊志賢,「合成生物學專題」。取自Investigator網站:https://investigatortw.wordpress.com/2013/09/11/合成生物學專題/,最後更新日期2013年9月11日。
12 “Our founders,” Demetrix, https://demetrixbio.com/founders, accessed February 28, 2019.
13 “About us,” Demetrix, https://demetrixbio.com/about-us-4, accessed April 23, 2019.
14 周家誠,「【美國直擊】減少大規模種植 Demetrix提煉植物要素」。取自蘋果日報即時新聞網站:https://hk.finance.appledaily.com/finance/realtime/article/20181210/59011610,最後更新日期2018年12月10日。
15 Sophie Bushwick, “Rising High: GM Yeast Generates Known and Novel Marijuana Compounds,” Scientific American, February 27, 2019, https://www.scientificamerican.com/article/rising-high-gm-yeast-generates-known-and-novel-marijuana-compounds/.
16 “Synthetic Biology,” Synlogic, https://www.synlogictx.com/synthetic-biology/, accessed February 28, 2019; “Pipeline + Programs”, Synlogic, https://www.synlogictx.com/pipeline-programs/, accessed February 28, 2019.
17 Diana Kwon, “New Treatments for Phenylketonuria Aim to Loosen Reins on Strict Diet,” The Scientist, May 29, 2018, https://www.the-scientist.com/news-opinion/new-treatments-for-phenylketonuria-aim-to-loosen-reins-on-strict-diet-36699.
18 Jennifer Chu, “Living sensors at your fingertips,” MIT News, http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215, last modified February 15, 2017.
19 「什麼是合成生物學? — 當科學家遇上工程師」。取自明日科學網站:https://tomorrowsci.com/science/什麼是-合成生物學-當-科學家-遇上-工程師/,最後更新日期2017年7月12日。
20 Camilo Rey, “Synthetic Biology Vs. Genetic Engineering.,” Medium, https://medium.com/@ReyCamilo/synthetic-biology-vs-genetic-engineering-15c59ccd83b, last modified March 9, 2017.
21 註:DNA結構由許多核苷酸連成長螺旋狀,而核苷酸是由鹼基、去氧核糖及磷酸三種成份所構成,鹼基可分為四類,而DNA上鹼基排列的次序,即稱為DNA的序列。資料來源:「DNA的結構」。取自生物科技面面觀網站:http://biotech.nstm.gov.tw/LifeScienceConcept/SpiralC/Spiral03.htm,查詢日期2019年4月23日。
22 同19。
23 “Scientists at the J. Craig Venter Institute Publish Paper Outlining Efficient Synthetic Biology Methods to Genetically Engineer Microalgae,” J. Craig Venter Institute, https://www.jcvi.org/scientists-j-craig-venter-institute-publish-paper-outlining-efficient-synthetic-biology-methods, last modified April 21, 2015; “Improving Algal Genetics for Biofuels and Biological Chemical Production,” J. Craig Venter Institute, https://www.jcvi.org/improving-algal-genetics-biofuels-and-biological-chemical-production, accessed April 29, 2019.
24 Camilo Rey, “Synthetic Biology Vs. Genetic Engineering.,” Medium, https://medium.com/@ReyCamilo/synthetic-biology-vs-genetic-engineering-15c59ccd83b, last modified March 9, 2017.
25 楊志賢,「合成生物學專題」。取自Investigator網站:https://investigatortw.wordpress.com/2013/09/11/合成生物學專題/,最後更新日期2013年9月11日。
26 「合成生物學:基因「混搭」掀起的新革命! ──《人類大未來》」。取自泛科學網站:https://pansci.asia/archives/149977,最後更新日期2018年11月16日;楊志賢,「合成生物學專題」。取自Investigator網站:https://investigatortw.wordpress.com/2013/09/11/合成生物學專題/,最後更新日期2013年9月11日。
27 同14。
28 Chase Purdy, “Why we don’t yet know if cell-cultured meat will actually fight climate change,” Quartz, https://qz.com/1553875/is-cell-cultured-meat-environmentally-friendly/, last modified February 20,2019.
29 同28。
30 Stephanie Strom, “Impossible Burger’s ‘Secret Sauce’ Highlights Challenges of Food Tech,” The New York Times, August 8, 2017, https://www.nytimes.com/2017/08/08/business/impossible-burger-food-meat.html?rref=collection%2Ftimestopic%2FFood%20and%20Drug%20Administration&action=click&contentCollection=timestopics&region=stream&module=stream_unit&version=latest&contentPlacement=1&pgtype=collection&_r=0.
31 “Re: GRAS Notice No. GRN 000737,” U.S. Food & Drug Administration, https://www.fda.gov/downloads/Food/IngredientsPackagingLabeling/GRAS/NoticeInventory/UCM620362.pdf, last modified July 23, 2018.
32 “USDA and FDA Announce a Formal Agreement to Regulate Cell-Cultured Food Products from Cell Lines of Livestock and Poultry,” U.S. Department of Agriculture, https://www.usda.gov/media/press-releases/2019/03/07/usda-and-fda-announce-formal-agreement-regulate-cell-cultured-food, last modified March 7, 2019.
33 “Biodefense in the Age of Synthetic Biology,” National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, https://www.nap.edu/read/24890/chapter/1, accessed April 23, 2019, p.125.
34 “Regulation of Synthetic Biology,” House of Parliament, POSTnote 497, May 2015.
35 Andrew J. Wight, “Strict EU ruling on gene-edited crops squeezes science,” Nature, October 25, 2018, https://www.nature.com/articles/d41586-018-07166-7.