2023年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区发布将来到上海。本次论坛我们聚焦「Infinitas 未来无限」，我们将搭建一个展现“青年人”智慧与潜力的舞台，聚集全球创新人才和资源，让更多人见证他们不懈的探索和追求，让一点火苗点燃他们无穷的创造力。让上海与我们共同见证这片广阔无垠的舞台上，追梦者们绽放出耀眼的光芒。

以下是华东理工大学教授，生物反应器工程国家重点实验室副主任杨弋在2024中国科技青年论坛精彩讲话，由云现场整理。

各位嘉宾、各位专家，上午好！

代谢科学是最近国际生命医学聚焦的热点领域，我们人从生到死，一切都围绕着代谢来进行，我们的吃喝拉撒、思考、运动都和代谢有关系，现在代谢是生命的基本特征，在生命科学的各大领域都非常重要，细胞、发育、神经、再生、免疫等等，代谢也是决定我们人类各种重大疾病的最主要因素，像我们现在中国人糖尿病有一点几亿，肥胖症2.7亿，衰老每个人都会存在。在国际上，代谢科学最近成为热点，它是所有重大疾病标注的（）都有专门的细胞代谢专刊。

另外，代谢也和我们现在的国家战略、合成生物学、生物制造非常密切联系。所谓合成生物学，意味着我们要国家自然生命体系中新陈代谢物质流动的方向，让它为我们合成各种产品，微生物产品、生物能源、生物材料等等。

我们通过调节细胞代谢的硬化调控，改变信息流方向，控制我们的生命行为。像美国、欧洲、英国、中国，都把它列为国家战略，涉及的产业也是非常巨大的。代谢是我们人身上最复杂的一件生物功能，因为代谢在不同的器官、不同的组织、不同的细胞、不同亚细胞结构发生的代谢过程都是完全不一样的。任何一个地方出了问题都会导致疾病，但是如何能获取这么复杂的信息？刚才田梅老师说表型的信息，代谢在传统上讲，我们要解析细胞代谢的表型，传统上是通过化学的分离、反应手段，比如说比色是基于化学反应，色谱、质谱等等是基于化学的分离，这些反应和分离必须在离体进行。

在历史上，生物成像颠覆性技术曾经获得了10次诺贝尔奖，因为生物成像获取的信息，一幅照片就是一个二维信息，一个立体照片就是三维信息，彩色照片是四维信息，video就是五维系统。像神经细胞染色、荧光蛋白成像、冷冻电竞等等成像颠覆性技术都以大推动了科学的发展和产业的发展。最近20年来，最新的诺贝尔奖都和活细胞成像有关系，在活细胞里我们有三种物质，蛋白质是非常重要的生命机器，以前在活细胞上看不到蛋白质，直到荧光蛋白出现以后，我们就可以在活体上实时追踪蛋白质的代谢，可以看到蛋白质从生到死的过程，看到它和其他物质的作用。因此，这个技术一旦突破以后，很快在2008年就获得了诺贝尔奖，在细胞里还有另外两种非常重要的物质，DNA、RNA，还有各种各样的小分子代谢物，像葡萄糖等等。代谢分析要从一维空间进入多维空间，要获得数据内涵数量级提升，必须通过成像的方法来解决。

我们发展了一系列细胞代谢的荧光探针，所有的探针是由基因编码而成，它可以在活细胞内部自己直接生成，可以定位到任何的细胞结构，可以定位到任何的亚细胞结构，所以它可以获得实现活细胞载体上细胞代谢的实时、高分辨、超快速单细胞、亚细胞分析，这一个细胞颜色的变化，就可以看到细胞代谢的状态变化，我们可以看到不同的亚细胞结构，比如线粒体和核里的代谢有什么区别。在活体上，可以用照相机拍摄出来肿瘤加了药物抑制以后，活体小鼠上的肿瘤代谢当场被抑制。

活细胞代谢分析特别适合分析稀有细胞和稀有事件，举个例子，卵细胞的发育是一个卵细胞发现一个胚胎，用我们的代谢分析技术可以追踪这一个细胞变成几千种细胞，全过程追踪。（如图）细胞有色分离过程中，在分离的一瞬间，可以看到细胞的代谢状态发生变化，分裂细胞只占所有细胞的1/20，用成像的方法非常容易聚集这种动态分析。

荧光蛋白的发现是因为自然界存在着荧光蛋白，在水母、珊瑚里发现的，自然界从来没有发现过荧光RNA这样的荧光蛋白等价物质，我们实验室发展了全世界第一套实用的荧光RNA技术，非常简单，它只有40个碱基，它没有荧光，但是它能结合没有荧光的燃料以后，在活细胞里发出非常明亮的荧光，我们发了一系列的荧光RNA，这些RNA能够让我们在活细胞上观察核山（音）的动态。蓝色是荧光蛋白，红色是荧光RNA，效果是完全一致的，今后在活细胞上研究RNA的代谢就变得非常简单。

我们还可以精确地测定基因位点的位置大小，中间的图就是端粒（音），端粒的大小决定我们健康的状态，决定我们衰老的状态。我们可以在活细胞里测定每个端粒的大小。我们能观察到活细胞的每个RNA分子怎么存在、怎么运动的。

除了观测以外，我们刚才讲的荧光蛋白，包括我们做的探针和荧光RNA，都是为了在活细胞上为代谢进行直接灵敏实时监测。除了监测之外，还光遗传学，除了看以外，我们还控制活细胞里的代谢。怎么控制呢？用光遗传学，我们用光去操控一个蛋白质，实现生命过程的时间、空间的精密控制。现在大家经常听说的转基因、基因编辑等等，这些方法其实都不是紧缺的控制，只是把基因表达出0-1或1-0。我们的目标是实现从DNA、RNA到蛋白质整个中性法则的全过程精密工作，这是我们做的光控制基因系统，只要光一照，我们合成的光控转录因子可以直接结合到DNA上启动基因的表达。如果把光关闭，基因表达立刻停止。用光来控制基因表达，好处是非常高效，光照之后引起基因表达变化可以超过一万倍。第二点是定时，任何时候只要把光一照就可以开启基因表达，光一停就停止基因表达。第三是定量，生物学现在进入定量阶段，人体的绝大部分疾病并不是缺乏基因，而是基因表达缺乏轻微改变就会导致我们进入疾病状态，用光控的方法，我们可以定量控制基因表达从0-1-2-3，一直到10、100、1000，都可以进行非常精密的控制，只要你控制光的强度、光照的频率、光照的时间，就可以实现控制。第四，我们可以实现定位控制，这张图是我们用投影仪把光投在单层培养细胞上，就像底片复制一样，可以把图像复制在一层细胞上，精确控制每个细胞的基因表达状态，目前我们实验室已经发展到从大肠杆菌到酵母、线虫、斑马鱼、果蝇，一直到哺乳动物，所有动物我们都可以实现精确的光控表达。

我们除了控制DNA以外，还能用光控RNA结合蛋白，我们自己用人工方法合成以后，现在可以控制RNA的全代谢过程，从它的转录到运输、降解等等，RNA所有的过程，我们都可以光染进行精确控制。这样在一个细胞上，今后我们希望发展下一代组学——细胞代谢表型组学，在活细胞上获取细胞代谢的表型，因为我们在活细胞上传统方法是把活细胞杀掉，你只能获取一次数据，但是用我们的活细胞代谢分析手段，我们可以对一个细胞进行反复分析，获取它非常多的代谢表型数据，这在细胞代谢表型组学是完全全新的组学。之前我们非常熟悉的基因组学、蛋白质组学，都可以分类为分子组学，因为它分析的是这个细胞、这个组织里到底有多少分子，每个分子的含量是多少，分子含量多少和我们最终的人体表型中间是有间隔的，这个间隔就可以被我们细胞代谢表型来进行中介，细胞代谢之上，构成了所有高级的生命表型。现在有的在活细胞上对代谢进行实时监测和控制技术，我们就可以发展细胞代谢表型组学，它分析的数据远远超过传统分子组学的一维数据，它是五维甚至六维以上的数据，它的数据内涵非常丰富。

我们的技术可以在一个细胞上用光把一个细胞和一个AI、计算机联系在一起，光对细胞进行控制，光也同时从细胞中读出它的生命状态，如果和电子产业链类比，超精密光刻机影响到整个电子信息全产业链，我们用超灵敏的探针去监测细胞状态，也可以影响整个生命医学的全产业链。在这方面，我们的技术获得国际顶级期刊的多次报道，全球有一千多个实验室在用我们的技术，国际一些顶级科学家用我们的方法也发表了很多论文。我们的技术除了用在基础科学领域，还能做什么事情？

我们的期望是发展细胞代谢前沿技术去推动产业应用，原创的方法是移动探针和分子开关可以用在生命机制的监测和调控上，在产业上，我们希望用在药物合成、及时诊断上。

第一是及时诊断，代谢分析是最经典、最传统的一个体外诊断、生化诊断，生化诊断长期以来一直是检验科最主要的医学诊断，直到最近二十年被免疫诊断所超越。为什么？因为生化诊断虽然有很多指标，但是只有一百多种可测，它的项目只有一百多种，再多了测不了。第二是灵敏度低。用探针方法，原则上讲可以对无限的种类物质进行检测，另外它非常灵敏，秒级检测，它不需要化学反应、化学分离，加进去一秒钟内就可以进行读数，用光学方法也可以做到非常高通量，这样就把我们医学检测的成本降到最低。

这是我们用荧光探针进行血液、尿液的乳酸快解，乳酸是非常重要的物质，进行无氧运动的时候会产生大量乳酸，生病的时候会产生大量乳酸，传统上是用血液来测乳酸，很麻烦，要扎血，很多人受不了。用我们的方法，我们可以在尿液里直接测定乳酸，因为尿液乳酸的含量是血液乳酸的1-2个数量级，要低很多，传统方法不很多。用我们的方法可以精确的把线粒体糖尿病和经典的二级糖尿病分开，我们中国1.2亿二型糖尿病，其中有100万人是线粒体糖尿病，这种人不能用普遍的二型糖尿病类药物，目前只能用基因测序的方法进行测量，一次几千块钱，基本不能实现。用我们的探针方法可以把成本降低两个数量级。

用我们代谢的方法，我们从健康人身上的鸟月提取一点点干细胞，只有有几个干细胞，我们可以精确测定你的衰老状态。24个年轻人的NAD很高，到27岁就有所降低，40岁降低一半，60岁降低更多，所以为什么我们需要补充NAD这些抗衰老工作，用我们的代谢方法，今后可以给居家提供一个panel，每天在家测测自己的健康状态怎么样。

第二是药物发现，非常多经典药物，比如说抗生素、抗肿瘤药物，他的靶标都是代谢，抗生素是针对细菌的核算代谢、蛋白质代谢，抗肿瘤药物针对DNA代谢、蛋白质代谢，但是这些药物以前筛出来非常有效，但是后来就不好筛了，因为很多疾病针对代谢的筛药是通过细胞生死筛出来的，后来很多疾病没有细胞生死的问题，就不能用这个方法。但是其他的代谢分析方法只有质谱、色谱，太昂贵了。用我们的光学方法进行筛药，可以把消耗降低几个数量级，以前花几百块钱一个样品，现在只要几分钱一个样品，回到以前针对细胞代谢表型筛样的层次，但是我们现在用最先进的技术，好处是一次性能够把药物分子结合、药物药效、有没有毒一次性分析出来。

我做了非常简单的展示，药物现在面临的最大问题就是耐药性，目前针对癌症生死进行药物的靶向基因治疗，一般来讲癌症细胞总会逃逸细胞生死，它能找到活的途径，这时候药物就失效了。我们筛药和传统方法不一样，传统方法把药物和癌细胞放置48小时以后分析这个癌细胞死不死，我们把药物加入癌细胞以后，只要过5分钟我们就能分析癌细胞是不是被药物作调控。经过分析，绝大部分分子都不影响癌细胞代谢，但是有些散点是强烈影响癌细胞的，最后我们研究了最厉害的分子，我们发现这个分子可以强烈杀伤所有肿瘤，它的机制是靶向癌细胞里超表达的抗氧化酶，这个酶是保护癌细胞的，但是把我们的分子加进去以后，抗氧化酶转化成超级氧化酶，它的氧化能力是过氧化氢的1000倍，让癌细胞产生极度氧化，不可逆死亡。用这个方法，可能能产生的抗癌药物没有耐药性，因为爱细胞没有蛋白质会死，有了这个癌细胞就更得死。

我们用这个方法可以对肿瘤干细胞进行非常精密的检测，肿瘤为什么复发，一个重要原因是干细胞存在，干细胞含量很少，非常难以分析，但是用我们的干细胞分析方法，我们可以分析癌症肿瘤干细胞的状态是什么、特征是什么，针对它的代谢特征，我们相应的选择已有药物，就能很好的克服败血病肿瘤干细胞的耐药。

第三，生物产品高效生物制造。现在生物制造已经占国民经济将近10万亿人民币，今后还会进一步提升，生物制造中最重要的因素就是细胞株，以前是怎么获得？可能经过几年、几十年的方法不断进行进化，筛选获得。传统的方法一个代谢途径可能涉及到几十个步骤，这个组合是海量的组合，用以前的方法筛选非常困难，但是如果用单细胞方法，在一个细胞上可以精确测定这个细胞是不是高产菌株，一小时可以进行一千万检测，所以它的检测通量远远超过色谱这种传统的代谢分析方法，超过3.5个数量级。这样可以让传统路线获得高产菌株，需要几年甚至几十年的时间。现在合成生物学正是全世界主要大国竞争的领域，谁能够做得更快，谁就能成为领导者。希望我们的技术能够在中国的合成生物学和生物制造方面奉献我们的力量

生物技术现在正在变革，我们以前用试管做实验，季候可能用显微镜做实验，属于变革前期。带来的后果，以前是手工作坊，今后变成全自动、自动化、高通量，以前是电子管结构，今后变成超大功能的集成电路。谢谢大家！