作者：黃媂
迄今為止，最精細的製造技術也沒有辦法造出形狀規則、大小均一的納米物質，如果想應用這些納米物質，就只能從細菌裡面去提取。
生物細胞的特性
要是把細胞看作一個工廠的話，它其實完美的契合對於工廠的定義，它是把原料變成我們想要的產品，除了這一點，它還有自己特性：
第一點：生物細胞自己能生長和合成。
第二點：生物細胞是可以自己修復的。
第三點：生物細胞能自我複製。每30分鐘就能複製自已一次。
第四點：生物細胞體積很小。
生物功能
一顆發霉的土豆，生長在上面的黴菌，它可以合成一種化學物質，這種化學物質是一種特效的抗生素，這種鏈黴菌上發現的新型抗生素。
圖解：鏈黴菌上發現的新型抗生素
深海海底發現的厭氧細菌，這個細菌的細胞膜里，有一種化學物質這類化學物質長得特別像「梯子」，它的名字也叫「梯烷」，它是一種非常高能的化學物質，可以用作火箭燃料。
圖解：深海海底發現的厭氧細菌
接下來為大家介紹的這個細菌它身有一個指南針，這是四氧化三鐵顆粒排成一個針狀結構，而這個結構可以指導細胞根據磁場的變化指導細胞的遊動。這個指南針的組成就是「四氧化三鐵顆粒」是由細菌自己合成的，它是一個大小非常均一，大小一般在幾納米到十幾納米之間的納米物質。
圖解：四氧化三鐵顆粒排成一個針狀結構「指南針」
豆顆植物，它的根部可以跟一些細菌共生，就是細菌把大氣裡面的氮氣變成氨作為營養物質供給植物，植物就反饋一些營養物質給細菌，這共生現象。那還有一些細菌，它不需豆棵植物，它自己就能固氮，如果要是能夠把這些固氮的功能轉移到水稻或者小麥身上，那麼水稻或者小麥就可以擺脫化肥了，同時也可以避免化工廠帶來的更多污染。
圖解：生物固氮
生物功能夠在現實生活中實現嗎？
剛才上面給大家舉的是一些很有趣的生物功能，但是這些生物功能到底能不能夠應用於我們真正的生活？
以目前的科技水平完全是有可能實現的，這裡就給大家就展示幾個例子，這些例子就是目前技術水平基礎的例子：
第1個：日常化學品·「胺基酸」、
我們日常的生活中使用味精，味精是一種胺基酸，那還有很多其他的藥品和食物裡面都需要添加各種各樣的胺基酸，構成細胞的21種胺基酸，目前為止有20種都是由微生物來合成。
第2個：藥物加工、
藥物裡面有1/3都是由細菌或者真菌這種微生物來合成，是由「土麴黴」合成的。
第3個：材料合成、
日常生活中所使用的塑料刀和叉，刀叉其實也是微生物合成的。玉米澱粉，被微生物變成了乳酸，再經過適當的化工聚合最終就把它變成塑料。
第4：生活用品與餐飲、
啤酒，酸奶，抗生素，胰島素，玻尿酸（女孩子平時美容時使用）的這個玻尿酸，其實也是微生物合成的。椰果奶茶裡面的椰果，其實不是從椰子刮下來的，也是維生素合成的（木醋桿菌）。
這四種生物功能它們背後所涉及的通常都是幾十到上百個基因之間的相互作用，想像一下如果是你帶著幾十個人甚至上百個人來幹活，你還需要一個很複雜的協調和組織呢，那更何況在細胞裡面這幾十到上百個基因要一起協作，那這裡面背後需要寫的程序是非常複雜的，給大家舉一個更形象的例子：
左邊這張圖片是一個「大腸桿菌」，在我們生活中無處不在，這個細菌的直徑是0.5微米，長約2微米的一個圓柱體，在這麼小的一個空間內，它有400萬的鹼基隊，重要的是它有4400個基因在同時表達著，而且同時在發生不少於3000個化學反應。如果把這所有的基因（4400個基因），每個基因看作一個點基因與基因之間如果有相互作用就連條線，那就是右邊這張圖，就可以看到這個，即便是在這麼小的一個空間、這麼簡單的一個生物，它內部的相互作用是非常複雜的，就是因為這種生物系統的複雜性。
生物技術呈現「反摩爾定律」
我們先來簡單地了解下什麼是「摩爾定律」，摩爾定律指的是電腦計算機CPU的這個計算能力，每隔一段時間（18個月）晶片價格就會降一倍，也就是每過18個）晶片功能就會翻一倍。
而生物不是，舉例：
生物醫藥就呈現出「反摩爾定律」，什麼叫反摩爾定律，就是說同樣是10億美元，在50年代的時候，10億美元能開發出十幾個新藥，到2020年的時候連一個新藥都做不出來了，這是「反摩爾定律」。
給細胞編程（工程化原則）
「反摩爾定律」這就揭示技術遇到問題了，遇到瓶頸了，投入相同的資源得到的產出越來越少，所以必須要換技術路線了，要有一種技術革新，根據以往解決複雜問題的經驗， 手機有上億的晶片、上億的邏輯門，處理的功能這麼複雜，那麼是如何實現應對這種複雜度的呢？
其實很簡單：「工程化原則」、
就是說現在不管一個系統多複雜，都能按照從元件到器件到模塊到系統的方式，自下而上的組裝出來，這裡面有兩個工程化原則非常關鍵：
第一個是模塊化。
模塊化的作用就是讓系統的組份與組份、元件與元件之間，越獨立越好，這樣的話呢就把能自下而上的拼裝起來，而且組裝預測性就特別高。
第二個是標準化、
標準化就是讓每個人在這個工程中所做出的努力，都能被其他人所用。比如說這個有人造螺絲，有人造螺母，如果大家都是按照一個標準來，那麼螺絲和螺母就能就能組合起來，就能把一個複雜的事情分拆解成簡單的工作，並且分配給每個人，最終每個人做出來的東西還能再組合在一起。
那這是因為這種工程化原則的使用呢，就可以做出非常複雜的超級計算機，所以摩爾定律也就由此不斷的產生新的突破，一直得到保持。
那麼細胞問題的模塊化要如何處理呢？
生物系統，其實如果以另外一種視角來看待的話，它也是一種功能系統，它可以看作是基因，也就是「DNA」材料。
「DNA」作為材料以生物大分子之間的相互作用的形式，它先組裝成一些代謝通路、一些調控通路，這些通路再組成細胞，這些細胞再進行組裝，組裝成組織，最終形成一些複雜的個體，就是說也可以看成一個自下而上的工程系統。
要對生物系統進行工程化的話，天然有很多生物，每個生物都有很多基因，把這些生物的基因都提煉出來，然後去掉那些不想要的功能，保留那些想要的功能，而且是保留那種最基本、最簡單的功能，把它進行一些標準化和模塊化的加工，然後最終呢就可以得到生物的「樂高積木」，就是一列一列基因片段，它們的相互之間是絕緣化的，而且它們的接口都是標準化的，這就是「基因元件」，那這個基因元件就是可以讓以拼樂高積木的形式，自下而上的拼裝出一些複雜的這個生物系統，因為它有感受器，它可以感受這細胞內外的環境，然後它也可以進行信息處理，把一些複雜的信號然後進行內部處理之後，最終呈現出生物功能輸出，這種能力可以在微生物細胞裡面寫一個微型的基因，讓它們執行想執行的功能，比如說可以用於生物製造。
生物對科學的價值
現在我們身邊很多物件都是塑料做的，這些塑料都是從石油裡面提取出來的，一個非常殘酷的事實是塑料的降解需要大概300年，而人類發明第1塊塑料在1862年，這意味著人類發明的第1塊塑料想要降解完還需要150年。
在新疆的愛丁湖，發現一株微生物，通過顯微鏡觀察，每一個白點都是一個細菌的菌落，有一些菌落的顏色是非常白的，這白色顆粒經過鑑定是一種生物可降解的塑料，叫做「聚羥基烷酸酯」。
它可以替代我們現在生活中絕大部分石油基的塑料，但是它的價格太貴了，是目前塑料原材料的5~10倍。
通過上面所說「樂高積木」的方法，在細胞裡面去編程序這事兒就有用了，就可以在細胞里編程序，讓細胞把它生理代謝活動的所有能量都用於生產「聚羥基烷酸酯」，簡稱「PHA」。
「聚羥基烷酸酯」第1代，細胞裡面就已經有白色的顆粒。
「聚羥基烷酸酯」第2代，細胞裡面白色的顆粒面積就更大了。
「聚羥基烷酸酯」第3代，細胞白色的顆粒就已經是大面積的存在了，它裡面90%的質量差不多都是「PHA」了。
圖解：圖一是原細胞、圖二三四：分別是第1.2.3代
經過2~3年的實驗和工業化嘗試，目前已經成功地在山東，實現了這種工業化生產。
目前這種生產出來的這種生物塑料「PHA」，它是100%生物可降解，在不添加特殊物質的情況下，把它埋在土裡面，半年到一年就沒了，就完全可降解了，變成營養物質被微生物利用了，所以它是一個就是取之於自然，而最終又回饋於自然。
真實案例：
（Bluepha首席技術官·張浩千）在清華校園裡作為實驗，在清華校園裡挖了一坑，然後把兩個塑料片埋到土裡面，然後半年以後再把塑料片挖出來。
實驗結果：
左邊的圖就是生物塑料「PHA」片，半年以後千瘡百孔，細菌在上面生長著。
右邊的圖「聚乙烯塑料片」還是完好無損，在那呆300年以後才能降解。
結語·科學的創新性科技
我們現在生活中，遇到的絕大部分的塑料其實都是非常難以降解的，300年是一個非常保守的數字，而且是在各種環境都很良好的情況下，就生物才能利用起來。
生物塑料「PHA」就是說它是很有希望能夠替代我們現在已有的石油基塑料的，並且現在已經把成本做到了大概兩倍左右，也就是傳統石油基塑料的2~3倍。
我叫黃媂，90後女，喜歡創作生物、化學、物理、地質和天文科學文章，歡迎關注互相學習。
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