如果 J. 克雷格·文特爾 如願以償，微生物將成為未來（人類）的食物和燃料製造者。這位負責人之一，負責人類基因組原始序列以及帶領團隊為您帶來首個在人造DNA上執行的活細胞的人，現在希望利用藻類來製造人類所需的一切。 這隻需要一點基因組工程。
“無需發明任何新事物。我們只需要以自然界以前從未做過的方式組合[基因]。我們正在加速數十億年的進化，”文特爾在華盛頓特區新美國基金會10月18日舉行的能源會議上表示。“很難想象人類的哪個部分不會受到重大影響。”
文特爾在為期兩年的海洋DNA取樣巡航之後，將注意力轉向了藻類的基因操作。目標是為未來生物學收穫構建基塊，這種生物學已從鹼基A、C、G和T轉換為1和0——一種數字生物學。他發現，收集到的數百萬個基因大多來自藻類，藻類是地球上較小的生物之一，但已經對地球產生了巨大的影響，提供了我們呼吸的三分之一以上的氧氣。
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文特爾希望進一步擴大這種影響。他重新設計的具有光合作用的細胞將吸收二氧化碳和陽光，並噴出可供埃克森美孚煉油廠使用的碳氫化合物（這家石油巨頭已向文特爾的公司合成基因組公司提供了迄今為止3億美元的資金）。在這個過程中，藻類將把一個問題——二氧化碳導致氣候變化——轉化為一個解決方案——可再生燃料和減緩全球變暖。“試圖捕獲二氧化碳並將其掩埋是愚蠢的；它將成為未來的可再生原料，”他說。
他的商業企業合成基因組公司現在還與墨西哥投資公司Plenus成立了一家名為Agradis的新公司。鑑於藻類在光合作用和基因實驗方面擁有數十億年的記錄，Agradis的目的是將這種基因寶庫轉化為農業作物的改良，無論是玉米還是油菜籽——以及將藻類用作測試各種新基因組合的模型。孟山都和藻類公司Sapphire Energy之間的類似合作將“利用我們開發的藻類平臺來挖掘可以轉移到其核心農產品中的基因，”Sapphire公司負責企業事務的副總裁蒂姆·曾克在之前接受 大眾科學採訪時解釋說。“當您在藻類中進行基因篩選時，您會在篩選中獲得數億個性狀，這加快了找到可以轉移的東西的機會。”
如果這還不夠，文特爾看到了合成生物學在作物和牲畜之外的食品領域的作用——特別是全球對肉類日益增長的需求。“生產一公斤牛肉需要10公斤穀物，獲得一公斤牛肉需要15升水，而且這些牛會產生大量甲烷，”文特爾觀察到，甲烷是另一種強效溫室氣體。“為什麼不擺脫牛呢？” 替代品：透過合成生物學，從微生物在試管中生長的肉類。
您不太可能在近期購買微生物肉類，但同樣清楚的是，不應忽視生物學作為未來解決方案的源泉。“現有生物學的問題在於您一次只能改變一到兩個基因，”他指出現今的基因工程。“我們正在建造一個每天製造一百萬個染色體的機器人，並且能夠自我學習。……唯一的限制是我們對生物學的瞭解。”
大眾科學與文特爾談論了他對藻類和合成生物學的期望。
[以下是採訪的編輯稿。]
為什麼選擇藻類？
縱觀不同農作物的產量，與[替代石油]需要做的事情相比，沒有一種令人印象深刻。然後您再看看藻類的潛在產量，它比最好的農業系統高出一到兩個數量級。如果我們試圖製造液體運輸燃料來替代美國的所有運輸燃料，並且您嘗試用玉米來做到這一點，那將需要一個相當於美國大陸三倍大小的設施。如果您嘗試用藻類來做到這一點，那將是一個大致相當於馬里蘭州大小的設施。一個可行，另一個荒謬，但我們沒有藻類遊說團體。
以前有人嘗試過，可以追溯到上個世紀之交。使用藻類嘗試做某事並不是一個新概念。但是沒有人達到必要的生產水平。每個人都在尋找一種天然存在的藻類，它將成為拯救世界的奇蹟細胞，經過一個世紀的尋找，人們仍然沒有找到它。我們希望我們有所不同。[基因]工具為我們提供了一種新方法：能夠重寫遺傳密碼，讓細胞做我們想讓它們做的事情。
主要的障礙是什麼？
每個試圖種植東西的人都面臨著相同的挑戰。在生長方面，我們在[合成基因組公司]埃克森專案中所做的工作是，我們實際上正在測試生長方面的每項技術。然後是細胞生物學方面，製造方面。如何在數平方英里的設施和數十億加侖的液態碳氫化合物的規模上進行製造，這些碳氫化合物可以進入埃克森美孚煉油廠？6億美元資金中的一半將用於主要的工程測試和概念。
僅僅是規模，費用——數十億美元以上的設施。獲得真正強壯的藻類，能夠在商業基礎上承受真正的工業條件。您不能承受因汙染而關閉工廠。大多數藻類種植者必須以相當頻繁的速度這樣做。
在細胞生物學和菌株開發方面，我們在拉霍亞[加利福尼亞州]有一個大型溫室測試設施。我們不聲稱有即時答案。我們正在談論一種系統的科學方法，嘗試過去的所有技術和具有新轉折的新技術。能夠有所作為的是工程細胞，即可以產生10到100[倍]產量的細胞。我們擁有的相同基因工程和基因組工程可以使細胞具有抗病毒能力。
我們早期取得的科學突破——吸引了埃克森公司——我們設計了[一種]細胞，將碳氫化合物泵出細胞。藻類是一個農業問題：生長、收穫、提取。這是一個正在進行的工作，我們正在努力。
這需要多長時間？
我們對任何事情都沒有最終答案。我們正在評估數千種菌株和大量的基因變化。長期的解決方案是從頭開始製作整個遺傳密碼並控制所有引數。對我們來說，這是一個長期計劃。這是一個十年計劃。我們不承諾在未來18個月內為您的汽車提供新燃料。
那麼人們需要多久才能用藻類燃料加油？
建造一個大規模設施來生產數十億加侖燃料所需的時間；一旦我們知道要建造什麼，僅建造設施就需要三到四年。我稱之為生物學胡言亂語和炒作的東西在許多生物能源公司中都存在。我看不到它。這些都是巨大的挑戰。據我所知，沒有人能夠獲得使其經濟的產量——而且，如果它不經濟，它就無法競爭。這將是那些具有科學創新和資金雄厚的合作伙伴的人，他們可以預見到進行長期投資以到達某個地方。
您將如何獲得營養物質，例如磷和氮，來刺激藻類生長？
除了擁有設施和煉油廠來轉化所有這些東西外，我們需要三個主要成分：二氧化碳、陽光和海水。我們正在世界各地尋找擁有主要成分的地點。如果它靠近大型煉油廠，那將有所幫助，因為這限制了運輸距離。運輸數十億加侖的碳氫化合物是昂貴的。但是煉油廠也是濃縮二氧化碳的良好來源。
這是整個過程的整合。[合成基因組公司]不打算成為一家燃料公司。您不會看到SGI加油站，我們將其留給埃克森美孚。我們將幫助他們將碳氫化合物的來源轉移到從二氧化碳中回收的材料。
水呢？藻類生長需要大量的水。
我們認為我們可以回收我們正在做的很多事情。……用於回收廢水的創新技術[例如微生物燃料電池]。水是一個問題，回收水和捕獲所有營養物質。如果您必須每英畝新增數噸肥料，那麼您實際上並沒有解決任何問題。
更大的挑戰是什麼：人類基因組還是藻類？
細胞和系統中存在500個不同的引數。絕對是藻類是更大的挑戰。我花了九個月時間完成了[人類基因組]。這絕對是一個更大的挑戰。如果我們成功了，它對世界也有更大的影響。
合成生物學將如何發揮作用？
基因組設計和遺傳密碼合成起著巨大的作用。我們需要控制所有這些引數。我懷疑是否有任何天然存在的細胞能夠以最佳方式組合所有這些。就自然進化而言，它沒有任何價值。我們必須透過我們的計劃使其發生並以合成方式進行。
合成方面不再是挑戰。我們開始使用的細胞是山羊病原體。它有110萬個鹼基對。一些較簡單的藻類甚至還不到這個大小的兩倍。我們可以常規地製造兆鹼基大小範圍內的染色體。合成不再是這個問題的限制步驟。
世界上的生物學知識水平非常有限。即使是那些基因少於500個的支原體細胞，該細胞中仍然有200個功能未知的基因。沒有一個生命系統，我們甚至瞭解細胞中的大多數基因以及它們的所有作用。這是我們最大的挑戰：克服目前生物學知識的侷限性。
現在我們透過我們的合成細胞知道的是，一旦我們能夠設計我們想要的東西，我們就可以構建它。這不是我們五年前知道的事情。沒有人制造東西。合成DNA的最大片段是30,000個鹼基對。現在我們正在製造這些大型構建體，並且能夠利用它們來測試生物學。
請告訴我為期兩年的Sorcerer II 巡航，您在那裡取樣了大量的海洋DNA——如此之大，以至於您得出結論，您發現了科學界已知的95%的基因。
當時我們不知道我們會最終進入藻類業務。事實上，我們只是透過檢視遺傳密碼來了解那裡存在什麼。我們對地球周圍的遺傳學和藻類的多樣性有著比幾乎任何人都更廣泛的看法。這就是為什麼我們對找到神奇的生物來做一切事情並不那麼樂觀的原因。 Sorcerer II 發現的50[百萬]或6000萬個基因是未來的設計元件。
為什麼要這樣做？動機是什麼？
我們都生活在同一個星球上。糟糕的陳詞濫調是：我們都在同一條救生艇上。如果有人拿起電鑽在船底鑽一個洞，我們都會完蛋。大氣變化以及我們在地球上擁有的資源變化，來自耗盡我們的資源並從地下取出碳，無論某人的政治立場如何，都是不能長期持續下去的事情。即使那些不夠聰明到了解科學及其含義的人也足夠聰明到知道世界正在轉向某種碳稅。石油和煤炭行業遲早會別無選擇。具有前瞻性的公司正試圖現在就真正搶佔先機。這些解決方案都不是您隨便拿起一本書就能找到解決方案的東西。這是長期研究。
政府在推動可持續解決方案方面應該扮演什麼角色？
它應該努力變得更聰明，這或許對政府要求過高了。如果我們成功了，其他人也成功地生產出替代碳氫化合物燃料的來源，最終我們可能會改變石油的供應和需求。這樣做的後果將是我們不斷降低我們主要競爭對手的價格。政府將在這項工作中發揮關鍵作用。如果政府不不斷提高碳的價格，隨著基於二氧化碳的燃料的出現，這將像吉米·卡特時代一樣，各種各樣的事情都開始了，但油價再次暴跌。
過去，科學家們花費了大量時間試圖讓藻類生產石油或解決其他問題，最著名的是國家可再生能源實驗室[pdf]。但是政府在1990年代關閉了該計劃，結論是由於生長系統的費用、營養需求和其他障礙，藻類將無法與石油競爭。鑑於藻類令人沮喪的過去，是什麼讓您對成功充滿信心？
這就像對食砷細菌的說法一樣：提出非凡主張的人有義務提供非凡的證據來證明他們的主張是真實的。我喜歡透過擁有資料來贏得辯論。目前，在這些領域中，沒有人擁有資料。我們有一些新工具來解決這些相同的問題。藻類的歷史很糟糕。也不能保證我們一定會成功。