作者：黄媂

迄今为止，最精细的制造技术也没有办法造出形状规则、大小均一的纳米物质，如果想应用这些纳米物质，就只能从细菌里面去提取。

生物细胞的特性

要是把细胞看作一个工厂的话，它其实完美的契合对于工厂的定义，它是把原料变成我们想要的产品，除了这一点，它还有自己特性：

第一点：生物细胞自己能生长和合成。

第二点：生物细胞是可以自己修复的。

第三点：生物细胞能自我复制。每30分钟就能复制自已一次。

第四点：生物细胞体积很小。

生物功能

一颗发霉的土豆，生长在上面的霉菌，它可以合成一种化学物质，这种化学物质是一种特效的抗生素，这种链霉菌上发现的新型抗生素。

图解：链霉菌上发现的新型抗生素

深海海底发现的厌氧细菌，这个细菌的细胞膜里，有一种化学物质这类化学物质长得特别像“梯子”，它的名字也叫“梯烷”，它是一种非常高能的化学物质，可以用作火箭燃料。

图解：深海海底发现的厌氧细菌

接下来为大家介绍的这个细菌它身有一个指南针，这是四氧化三铁颗粒排成一个针状结构，而这个结构可以指导细胞根据磁场的变化指导细胞的游动。这个指南针的组成就是“四氧化三铁颗粒”是由细菌自己合成的，它是一个大小非常均一，大小一般在几纳米到十几纳米之间的纳米物质。

图解：四氧化三铁颗粒排成一个针状结构“指南针”

豆颗植物，它的根部可以跟一些细菌共生，就是细菌把大气里面的氮气变成氨作为营养物质供给植物，植物就反馈一些营养物质给细菌，这共生现象。那还有一些细菌，它不需豆棵植物，它自己就能固氮，如果要是能够把这些固氮的功能转移到水稻或者小麦身上，那么水稻或者小麦就可以摆脱化肥了，同时也可以避免化工厂带来的更多污染。

图解：生物固氮

生物功能够在现实生活中实现吗？

刚才上面给大家举的是一些很有趣的生物功能，但是这些生物功能到底能不能够应用于我们真正的生活？

以目前的科技水平完全是有可能实现的，这里就给大家就展示几个例子，这些例子就是目前技术水平基础的例子：

第1个：日常化学品·“氨基酸”、

我们日常的生活中使用味精，味精是一种氨基酸，那还有很多其他的药品和食物里面都需要添加各种各样的氨基酸，构成细胞的21种氨基酸，目前为止有20种都是由微生物来合成。

第2个：药物加工、

药物里面有1/3都是由细菌或者真菌这种微生物来合成，是由“土曲霉”合成的。

第3个：材料合成、

日常生活中所使用的塑料刀和叉，刀叉其实也是微生物合成的。玉米淀粉，被微生物变成了乳酸，再经过适当的化工聚合最终就把它变成塑料。

第4：生活用品与餐饮、

啤酒，酸奶，抗生素，胰岛素，玻尿酸（女孩子平时美容时使用）的这个玻尿酸，其实也是微生物合成的。椰果奶茶里面的椰果，其实不是从椰子刮下来的，也是维生素合成的（木醋杆菌）。

这四种生物功能它们背后所涉及的通常都是几十到上百个基因之间的相互作用，想象一下如果是你带着几十个人甚至上百个人来干活，你还需要一个很复杂的协调和组织呢，那更何况在细胞里面这几十到上百个基因要一起协作，那这里面背后需要写的程序是非常复杂的，给大家举一个更形象的例子：

左边这张图片是一个“大肠杆菌”，在我们生活中无处不在，这个细菌的直径是0.5微米，长约2微米的一个圆柱体，在这么小的一个空间内，它有万的碱基队，重要的是它有4个基因在同时表达着，而且同时在发生不少于个化学反应。如果把这所有的基因（4个基因），每个基因看作一个点基因与基因之间如果有相互作用就连条线，那就是右边这张图，就可以看到这个，即便是在这么小的一个空间、这么简单的一个生物，它内部的相互作用是非常复杂的，就是因为这种生物系统的复杂性。

生物技术呈现“反摩尔定律”

我们先来简单地了解下什么是“摩尔定律”，摩尔定律指的是电脑计算机CPU的这个计算能力，每隔一段时间（18个月）芯片价格就会降一倍，也就是每过18个）芯片功能就会翻一倍。

而生物不是，举例：

生物医药就呈现出“反摩尔定律”，什么叫反摩尔定律，就是说同样是10亿美元，在50年代的时候，10亿美元能开发出十几个新药，到年的时候连一个新药都做不出来了，这是“反摩尔定律”。

给细胞编程（工程化原则）

“反摩尔定律”这就揭示技术遇到问题了，遇到瓶颈了，投入相同的资源得到的产出越来越少，所以必须要换技术路线了，要有一种技术革新，根据以往解决复杂问题的经验，手机有上亿的芯片、上亿的逻辑门，处理的功能这么复杂，那么是如何实现应对这种复杂度的呢？

其实很简单：“工程化原则”、

就是说现在不管一个系统多复杂，都能按照从元件到器件到模块到系统的方式，自下而上的组装出来，这里面有两个工程化原则非常关键：

第一个是模块化。

模块化的作用就是让系统的组份与组份、元件与元件之间，越独立越好，这样的话呢就把能自下而上的拼装起来，而且组装预测性就特别高。

第二个是标准化、

标准化就是让每个人在这个工程中所做出的努力，都能被其他人所用。比如说这个有人造螺丝，有人造螺母，如果大家都是按照一个标准来，那么螺丝和螺母就能就能组合起来，就能把一个复杂的事情分拆解成简单的工作，并且分配给每个人，最终每个人做出来的东西还能再组合在一起。

那这是因为这种工程化原则的使用呢，就可以做出非常复杂的超级计算机，所以摩尔定律也就由此不断的产生新的突破，一直得到保持。

那么细胞问题的模块化要如何处理呢？

生物系统，其实如果以另外一种视角来看待的话，它也是一种功能系统，它可以看作是基因，也就是“DNA”材料。

“DNA”作为材料以生物大分子之间的相互作用的形式，它先组装成一些代谢通路、一些调控通路，这些通路再组成细胞，这些细胞再进行组装，组装成组织，最终形成一些复杂的个体，就是说也可以看成一个自下而上的工程系统。

要对生物系统进行工程化的话，天然有很多生物，每个生物都有很多基因，把这些生物的基因都提炼出来，然后去掉那些不想要的功能，保留那些想要的功能，而且是保留那种最基本、最简单的功能，把它进行一些标准化和模块化的加工，然后最终呢就可以得到生物的“乐高积木”，就是一列一列基因片段，它们的相互之间是绝缘化的，而且它们的接口都是标准化的，这就是“基因元件”，那这个基因元件就是可以让以拼乐高积木的形式，自下而上的拼装出一些复杂的这个生物系统，因为它有感受器，它可以感受这细胞内外的环境，然后它也可以进行信息处理，把一些复杂的信号然后进行内部处理之后，最终呈现出生物功能输出，这种能力可以在微生物细胞里面写一个微型的基因，让它们执行想执行的功能，比如说可以用于生物制造。

生物对科学的价值

现在我们身边很多物件都是塑料做的，这些塑料都是从石油里面提取出来的，一个非常残酷的事实是塑料的降解需要大概年，而人类发明第1块塑料在年，这意味着人类发明的第1块塑料想要降解完还需要年。

在新疆的爱丁湖，发现一株微生物，通过显微镜观察，每一个白点都是一个细菌的菌落，有一些菌落的颜色是非常白的，这白色颗粒经过鉴定是一种生物可降解的塑料，叫做“聚羟基烷酸酯”。

它可以替代我们现在生活中绝大部分石油基的塑料，但是它的价格太贵了，是目前塑料原材料的5~10倍。

通过上面所说“乐高积木”的方法，在细胞里面去编程序这事儿就有用了，就可以在细胞里编程序，让细胞把它生理代谢活动的所有能量都用于生产“聚羟基烷酸酯”，简称“PHA”。

“聚羟基烷酸酯”第1代，细胞里面就已经有白色的颗粒。

“聚羟基烷酸酯”第2代，细胞里面白色的颗粒面积就更大了。

“聚羟基烷酸酯”第3代，细胞白色的颗粒就已经是大面积的存在了，它里面90%的质量差不多都是“PHA”了。

图解：图一是原细胞、图二三四：分别是第1.2.3代

经过2~3年的实验和工业化尝试，目前已经成功地在山东，实现了这种工业化生产。

目前这种生产出来的这种生物塑料“PHA”，它是%生物可降解，在不添加特殊物质的情况下，把它埋在土里面，半年到一年就没了，就完全可降解了，变成营养物质被微生物利用了，所以它是一个就是取之于自然，而最终又回馈于自然。

真实案例：

（Bluepha首席技术官·张浩千）在清华校园里作为实验，在清华校园里挖了一坑，然后把两个塑料片埋到土里面，然后半年以后再把塑料片挖出来。

实验结果：

左边的图就是生物塑料“PHA”片，半年以后千疮百孔，细菌在上面生长着。

右边的图“聚乙烯塑料片”还是完好无损，在那呆年以后才能降解。

结语·科学的创新性科技

我们现在生活中，遇到的绝大部分的塑料其实都是非常难以降解的，年是一个非常保守的数字，而且是在各种环境都很良好的情况下，就生物才能利用起来。

生物塑料“PHA”就是说它是很有希望能够替代我们现在已有的石油基塑料的，并且现在已经把成本做到了大概两倍左右，也就是传统石油基塑料的2~3倍。

我叫黄媂，90后女，喜欢创作生物、化学、物理、地质和天文科学文章，欢迎

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