知耕从陪伴农业生物科技领域科创家成长的信念出发，策划打造基因编辑、合成生物学、RNA生物农药、生物基新材料等新兴农业生物科技领域的“技术商业化指南”，挖掘不同赛道标志性创新企业，通过技术商业化专访的方式，基于“CML（Commercial Maturity Level）商业成熟度”，从企业的第一视角出发，呈现具有不同技术、商业特色创新企业的创业路线，汲取最贴近创业实况的商业化经验，打造更多元的农业生物科技创业蓝图，为更多创业企业提供“从0到1”，甚至“从1到无穷”过程的借鉴与参考。

本期内容知耕邀请到AI+微生物领域创新企业代表微新生物的联合创始人兼首席科学家戴磊博士，与大家分享微新生物如何通过AI数据驱动微生物组研发，以及微生物组工程在人体健康、农业、碳中和领域的应用与探索。

AI+微生物组工程——微新生物

挖掘微生物组产业研发、生产与面向市场阶段痛难点

在微生物组产业，相关创新技术正在迅速发展升级迭代，未来这些技术有望成为助力农业、医药、食品和诊断领域取得突破性进展的重要推动力。但是，当前微生物组产业在研发、生产和市场推广阶段仍面临诸多阻碍发展的痛难点。戴磊博士结合实际情况，详细描述了各阶段的挑战。

■ 作用机制复杂性

微生物通过多种代谢过程对宿主产生影响，其作用机制复杂且多样。目前，对于特定疾病和情境下的微生物作用有一定的研究基础，但在其他情况下仍缺乏清晰的结论。不同微生物可能通过不同的代谢途径影响宿主的健康和药物疗效。因此，研究人员需加大对微生物作用机制的探索。

■ 菌株异质性

不同菌株在生物学特性上存在显著差异，且这种异质性通常被忽视。宿主遗传、饮食、生活环境等因素都会影响微生物群落的构成，导致个体间的菌群差异较大。因此，开发益生菌等微生物组产品时，需充分考虑个体化差异，通过个性化干预手段优化微生物组调节。

■ 个体差异性高度个性化

微生物组的个性化特点使得干预措施在不同个体上表现不一。与宿主的遗传背景、生活方式及原生菌群密切相关，个性化微生物干预可能成为未来肠道健康调节的关键策略。

■ 调控手段局限性

在研发过程中，有效调控不同微生物的手段较为有限。引入有益菌、抑制有害菌的“减法”调控手段尚需进一步优化。这增加了微生物组调节的复杂性，迫切需要开发更有效的调控策略。

■ 行业标准缺乏

目前，微生物组行业缺乏统一的标准，尤其是在数据处理、技术方法和产品评估等方面。数据可比性差、技术不一致、产品质量不稳定等问题，影响了研发进展和市场应用。制定有效的行业标准能够提升研发效率和产品质量，推动整体行业的发展。

■ 生产工艺复杂性

微生物制剂的生产工艺复杂，尤其是对于难以培养的肠道厌氧菌，工艺难度和成本高企。现有生产技术尚无法满足市场对高效、稳定微生物制剂的需求，急需工艺优化和设备升级，以提高生产效率并降低成本。

■ 研发成本高

研发活菌药物和微生物制剂的费用较高，尤其是在临床试验和市场验证阶段。企业需要承担巨大的实验费用，同时应对市场需求变化的挑战。这对小型企业构成了较大的压力，创新活力受到抑制。

■ 专利保护不足

由于活菌制剂缺乏有效的知识产权保护，企业在技术创新方面面临更大的风险。此外，专利缺失还导致行业内的模仿和竞争加剧，企业无法通过创新获得应有的市场回报，这削弱了行业的创新动力。

■ 政策监管缺乏标准

活菌药物和微生物制剂的政策法规滞后于技术发展，缺乏明确的剂量和使用标准，使得产品注册和推广过程中存在不确定性。这不仅增加了研发的风险，也影响了企业在市场中的信誉，阻碍了产品推广。

■ 市场接受度低

由于消费者对活菌产品的认知不足，以及对其效果的怀疑，市场接受度普遍较低。企业需要投入大量资源进行科普宣传，以提高消费者的信任和接受度。此外，缺乏有效的市场教育也影响了产品的销售和推广。

由于上述痛点，许多产品仍停留在较为基础的阶段，缺乏创新。综上所述，政策监管缺乏标准、生产工艺复杂、专利保护不足、市场接受度低以及研发成本高等痛点共同影响着微生物制剂行业的发展。要推动行业的健康发展，必须在政策、技术、市场教育等多方面进行协同创新与改进，以期实现可持续增长。

微生物组工程的多领域应用前景

随着微生物组研究的深入，合成生物学和AI技术的结合为微生物组工程带来了广泛的应用潜力。微生物群落被誉为“第二基因组”和“共生功能体”，其在农业、碳中和、大健康以及医药和食品领域都展现了巨大的发展空间。在医药、食品和农业等多个领域，对肠道微生物的需求广泛且日益增长。研究表明，肠道微生物不仅在维持健康和促进营养吸收方面起到重要作用，还与多种疾病的发生和发展密切相关。这种潜力引发了对肠道微生物产品的广泛关注，然而，由于上述痛点，许多产品仍停留在较为基础的阶段，缺乏创新。

图源：SynBiome

微生物组工程在农业中的应用已经显现出可持续发展的巨大潜力，不仅提高了生产效率，还减少了对化学农药和抗生素的依赖，为未来农业的绿色发展提供了技术支持。

■ 生物固氮与作物生长促进

传统农业依赖大量氮肥，导致环境污染和温室气体排放。通过微生物组工程，利用固氮微生物如根瘤菌，能够实现自然固氮，减少化学肥料的使用。以巴西的大豆种植为例，大豆与根瘤菌共生的固氮系统不仅大幅减少了氮肥使用，还节省了农户的投入。未来，通过工程化新的固氮微生物，这项技术有望推广至玉米、小麦等更多作物，实现更广泛的绿色农业。

■ 土壤改良与生物肥料 

化学肥料虽然能够在短期内提高作物产量，但对土壤健康有长期的负面影响。微生物组工程可以通过设计特定的微生物群落来改良土壤，提升土壤养分利用效率，从而促进作物生长。美国的玉米研究表明，促生根菌群的引入不仅提升了作物产量，还减少了对化肥的依赖。印度的棉花试验也显示，通过微生物肥料，化肥使用量减少了30%。这种土壤改良和生物肥料技术将在干旱和贫瘠地区发挥重要作用，帮助农民提高农业生产效益。

■ 农业领域生物防治

农业中过度使用化学农药不仅增加了病虫害的耐药性，还威胁到生态系统的平衡。微生物组工程通过开发基于天然微生物的生物防治技术，可以替代化学农药。例如，在欧洲，寄生性真菌成功控制了葡萄的病害，将化学农药的使用减少了80%。中国的水稻种植试验也证明了基于微生物组的生物防治技术使病虫害的发生率降低了40%。未来，这类生物防治系统将更加精准，有助于减少农药依赖，保护生态环境。

■ 畜牧业领域减抗替抗方案 

畜牧业中抗生素的广泛使用导致了全球性耐药性问题，威胁人类健康和生态安全。通过微生物组工程，微生物制剂和酶制剂可以替代传统抗生素，减少其使用，从而降低耐药性。例如，丹麦的畜牧业利用抗菌肽成功取代抗生素，畜群健康状况得到显著提升，耐药性问题也有所缓解。在中国，益生菌微生物制剂的使用减少了猪场中抗生素的依赖，并提高了猪的生长速度。随着微生物组技术的不断进步，新型微生物制剂将在农业和畜牧业中广泛推广，提供更加安全的抗菌解决方案。

在应对全球气候变化和碳排放问题中，微生物组工程也展示出巨大的潜力，特别是在甲烷减排和二氧化碳的生物转化方面。

■ 畜牧业领域肠道甲烷减排 

畜牧业生产中的甲烷排放是全球变暖的重要因素之一，尤其是牛、羊等反刍动物的肠道发酵过程中会产生大量甲烷。通过改造畜牧业中肠道内的产甲烷古菌，微生物组工程可以显著减少甲烷的排放，从而减缓短期气候升温的速度。研究表明，通过调控瘤胃内的微生物群落，能够有效减少畜牧业甲烷排放，为实现农业生产碳中和目标提供可行的解决方案。

■ 工业领域二氧化碳生物转化

微生物组技术可以通过设计和应用特定的微生物群落，将二氧化碳转化为有用的化合物，如甲烷、乙醇等清洁能源或工业原料。这不仅有助于减少大气中的二氧化碳浓度，还能为工业生产提供可持续的能源来源，实现双重效益。

微生物组与人体健康的关联愈发紧密，特别是在肠道微生物组的调控和新型益生菌、益生元的开发中，微生物组工程成为精准健康管理的重要工具。

■ 肠道微生物组调控 

肠道微生物在调节人体免疫系统、代谢功能、消化系统健康等方面具有重要作用。通过微生物组工程，科学家可以优化肠道微生物的多样性与平衡，促进有益菌群的定植，从而帮助预防和治疗与肠道相关的疾病，如炎症性肠病、肥胖、糖尿病等。针对不同患者的个体化治疗方案也正在逐步开发，实现精准健康管理。

■ 益生菌和益生元等功能性成分开发 

新型益生菌和益生元的研发已成为功能性食品和保健品领域的重要趋势。通过微生物组工程，研发人员能够从自然界中筛选出具有特殊健康功效的微生物菌株，并通过基因改造增强其功能。这些益生菌产品不仅能调节肠道菌群平衡，还能提高免疫力，预防代谢性疾病，甚至影响大脑健康，形成“肠脑轴”机制的调控。

随着健康需求的增加，微生物组工程在医药和食品领域中展现了广阔的应用前景，特别是在免疫系统调控、代谢性疾病治疗及功能性食品开发方面。

■ 医药领域的肠道微生物组应用  

研究表明，肠道微生物组与免疫系统、神经系统及代谢性疾病之间有着密切关联。通过调整肠道微生物群落的组成，微生物组工程有望在治疗自身免疫性疾病、炎症性肠病等领域取得突破。例如，通过益生菌制剂对肠道免疫微环境进行精准调控，可以有效缓解肠道疾病并改善患者的整体健康。

■ 食品领域的功能性食品开发 

随着消费者对健康饮食的重视，市场对功能性食品和发酵食品的需求逐步增加。微生物组工程能够根据消费者的需求，开发出具有特定健康功效的功能性食品，如含有高效益生菌的酸奶、饮料等。这些产品不仅帮助改善肠道健康，还能够预防疾病，提升整体生活质量。

尽管微生物组技术在多个领域展现了强劲的应用潜力，当前的技术创新仍然面临着诸多挑战，如标准化不足、技术壁垒及高成本等。在推动微生物组技术发展方面，标准化、监管、技术创新和成本控制是必须解决的关键问题。

■ 标准化存在较大差异

目前市场上不同公司的微生物组产品在质量上存在较大差异，影响了消费者的信任度和接受度。许多企业在微生物组产品的研发过程中缺乏统一的技术标准，这导致了同类产品在活性成分的种类、数量、稳定性等方面存在显著差异。不同的生产工艺、储存条件和菌株来源都可能导致产品功效的波动。例如，在生物肥料领域，一些公司推出的微生物肥料声称能够提高作物产量，但实际应用中，产品的效果因土壤条件、气候差异等因素而大相径庭。正是因为缺乏标准化的生产流程和质量控制，许多产品未能在不同的农业环境中实现预期效果。

■ 监管缺乏统一体系

由于缺乏统一的质量标准和监管体系，部分微生物组产品的功效难以验证，尤其是在农业、生物肥料和健康领域，这种不一致性阻碍了技术的大规模推广。目前，全球范围内针对微生物组产品的监管框架仍处于初期阶段。许多国家的农业和食品监管机构尚未出台针对微生物组产品的明确标准，这使得市场上的产品质量参差不齐，且没有统一的机制来评估其功效和安全性。例如，在农业领域，一些国家虽然允许销售微生物肥料，但对其成分、使用方法和效果缺乏严格的监管，这使得某些进入市场的产品质量参差不齐。

■ 创新程度不足

微生物组技术的研发和生产成本较高，这制约了其大规模推广和应用。尽管需求巨大，但由于技术和成本等问题，现有产品缺乏创新。未来需要在技术研发、市场应用和监管支持上取得更大突破，推动微生物组工程的全面发展。

微生物组工程作为生物科技的重要前沿，已经在农业、碳中和、大健康、医药和食品等领域展示出巨大的应用前景。通过数据驱动的微生物平台和AI技术，合成生物学为这些领域的创新提供了强有力的支持。尽管面临挑战，未来随着技术进步和标准化建设，微生物组工程将进一步推动各个行业的发展，实现更大规模的商业化应用。

从微生物到代谢产物，微新生物以“AI+合成生物”革新未来发展趋势

戴磊博士认为，随着技术的进步，微生物代谢产物逐渐成为研发的重点。相比于活菌，代谢产物在安全性和应用效率方面具有显著优势。然而，在开发代谢产物时，仍面临诸如代谢产物递送、活性保持等挑战。在合成生物学与人工智能（AI）的结合中，微生物研究正迈向数据驱动的新阶段，尤其在肠道微生物组、蛋白质设计、高通量筛选等领域展现出巨大的潜力。微新生物作为这一领域的先行者，凭借其创新技术平台和研发能力，推动了微生物研究及其应用的革新。未来，随着这些问题的解决，代谢产物的应用将进一步拓展。

■ AI驱动的微生物组研究

戴磊博士表示，传统的微生物组研究依赖于培养基上的微生物分离与鉴定，然而，许多微生物无法在实验室中培育。这种限制严重阻碍了对肠道菌群、土壤微生物等复杂环境中的微生物了解的深度。而随着人工智能（AI）技术和大数据分析的发展，微生物组研究进入了全新的时代。通过对海量基因组数据的分析，AI能够识别并解析大量未曾培育过的微生物功能。AI+合成生物学不仅能提升研究的广度和精度，还为了解微生物在宿主健康中的关键作用提供了新思路，为个性化的健康干预提供了科学依据。

在临床应用中，AI算法已经被用于分析患者的肠道微生物组，辅助诊断疾病或预防健康问题。这种技术还能被用于预测不同人群的微生物组差异，使研究人员能够设计出个性化的干预方案，如益生菌产品或代谢产物治疗。AI+合成生物学的结合为肠道菌群功能的解析、微生物功能的预测等带来了新思路，使个性化健康干预成为可能。

■ 数据驱动的微生物功能预测

借助AI的深度学习算法，研究者可以通过对微生物基因组数据的深入分析，预测其潜在的生物学功能。例如，AI能够通过识别特定基因与宿主健康或疾病的关联，从而揭示微生物在人体或其他宿主中的生物功能。这一技术对于疾病诊断、健康管理以及微生物组功能干预具有重要的推动作用，特别是在精准医学领域。例如，AI可以识别某些菌株是否具备抗炎、抗氧化或抗菌等生物学功能，这对药物开发和功能性食品的研制提供了关键性信息。这一过程的自动化和高效化，不仅提高了研究效率，也为精准的微生物干预提供了科学依据。

■ 基因组数据的爆炸式增长

随着高通量测序技术的进步，基因组数据量呈现出爆炸式增长。过去几年中，微生物基因组数据从数百万个增长到数十亿个，涵盖了多个复杂环境中的微生物生态系统。AI的引入让研究人员得以从这些复杂的数据集中挖掘有用的信息，发现新的微生物种类和功能，推动微生物组研究从实验室走向临床应用及产业化。微新生物这种基于AI的数据驱动方法，不仅能够大幅加快微生物的发现速度，还为大规模、复杂环境中的微生物功能解析提供了更加全面和系统的视角。例如，利用AI识别环境中稀有但功能重要的微生物，为生态学和农业等领域的应用带来了深远影响。

■ 生物信息学的快速发展

生物信息学作为交叉学科，结合了计算机科学、统计学和生物学，为微生物组数据的解析提供了强大的工具和算法。通过这些技术，科研人员能够分析微生物的基因组特征，进而发现其在生态系统中的功能与作用，极大加速了研究进程。

■ 个性化微生物组干预

微新生物数据驱动的方法能够帮助研究者识别个体间的微生物组差异，从而实现个性化的健康干预。例如，AI技术能够通过对个人肠道微生物组数据的分析，开发出更为精准的益生菌干预策略或个性化药物，帮助优化健康管理策略。这种个性化干预的潜力不仅体现在预防疾病上，还能够针对特定个体的疾病状态提供有针对性的治疗方案，从而提高临床治疗效果。在未来的健康管理中，基于微生物组数据的个性化干预方案可能涵盖从儿童营养补充到老年人健康管理等多个领域，成为提升人类健康的重要工具。

■ 代谢产物的优势

戴磊博士表示，近年来，微生物代谢产物因其稳定性和高效性逐渐受到广泛关注。与活菌相比，微生物代谢产物不易受宿主环境变化的影响，更加安全和稳定。这些代谢产物在抗菌、调节免疫、改善代谢等方面具有广泛的应用前景。例如，某些代谢产物可通过调节宿主肠道环境来改善其健康状态，或者用作治疗药物以代替活菌制剂，避免活菌在体内可能带来的不确定性风险。此外，微生物代谢产物还可应用于农业中，促进植物生长、提升土壤健康，甚至控制病害。这些广泛的应用展示了其在医药、农业及功能性食品中的巨大潜力。

■ 研发方向与挑战

随着合成生物学和代谢工程的发展，利用基因编辑技术改造微生物以生产特定代谢产物成为重要研发方向。例如，通过设计微生物生产抗炎代谢产物，用于治疗肠道炎症疾病。但在实际应用中，递送系统的优化和代谢产物的稳定性仍是亟待解决的难题。然而，代谢产物的递送与活性保持仍是需要解决的技术挑战。此外，行业标准的完善也是其未来应用中的关键问题。

微新生物是合成生物学与AI结合的代表性企业，其在高通量筛选、蛋白质设计、基因组编辑等领域展示了强劲的技术优势。

■ 高通量筛选

微新生物依托于深圳合成生物学重大基础研究设施的高通量、自动化实验平台，运用高通量筛选技术，加速了微生物、酶和代谢产物的发现和优化过程。通过自动化设备和大数据分析，能够在短时间内筛选出具有特定功能的微生物菌株或代谢产物，大幅提高实验效率，缩短研发周期。该技术可以实现海量样本的快速分析，降低了研发成本，并提高了筛选的精确性，加速科研创新的产业转化效率。

■ 蛋白设计与基因组编辑

微新生物在蛋白设计和基因组编辑方面具备强大的能力，戴磊博士及其团队利用计算设计改造酶的底物特异性与热稳定性，利用计算生物学和合成生物学手段，从头设计具有特定功能的人工酶。该技术精准设计和优化蛋白质的结构和功能，推动了蛋白质工程领域的发展。其基因组编辑平台能够对微生物的基因组进行精确操作，实现了微生物基因的敲除、敲入和定点修复。这种能力使其在生物制造和生物医药等领域具有显著的技术领先优势。

■ 微生物菌株库与元件库

微新生物通过整合人工智能与合成生物学技术，构建了数据驱动的微生物组工程平台，拥有广泛的微生物菌株库和元件库，形成了其创新研发的资源基础。菌株库包含大量经过优化的工业菌株，适用于多种应用场景，元件库则汇集了包括启动子、终止子、酶等在内的标准化基因元件，可灵活组合应用，快速定制微生物平台。这些资源使微新生物能够研发出促进农作物、动物和人体健康的功能微生物，在新产品开发和技术迭代上具备显著优势，为合成生物学的深入研究提供了有力支持。

通过这三个维度，微新生物在合成生物学和生物制造领域展现了强劲的技术实力，特别是在微生物和酶的优化与设计上，具有领先的竞争优势。

数据驱动的研究方法，尤其是在AI和合成生物学的结合下，正在显著加速微生物组的研究进展。微新生物等创新企业通过高通量筛选、蛋白设计和基因组编辑等技术，推动了从微生物到代谢产物的全产业链创新。尽管面临递送、活性保持和行业标准等挑战，未来的技术突破将进一步拓展其应用范围，实现微生物组研究的更大价值。

面向功能微生物与基因的挖掘和改造的应用场景

微新生物建立了包含微生物基因组数据库、分析流程、人工智能算法、菌株筛选及体内功能验证的全流程研发平台。该平台使得从基础研究到应用开发的过程更加流畅和高效，支持各类微生物产品的研发。

■ 平台技术：前沿微生物研究的基础

微新生物通过微生物分离、鉴定和基因组测序等技术，结合高性能计算集群和宏基因组分析，深入研究微生物的功能和作用机制。这些技术的结合不仅提高了微生物的识别和功能验证效率，还为后续的应用开发奠定了坚实基础。例如，通过宏基因组分析，微新生物能够识别土壤和肠道中的关键微生物种群，从而探讨其在环境和健康中的作用。

■ 资源库：丰富的微生物组研究支持

微新生物建立了高通量培养组与菌株库，以及植物、动物、人体共生微生物的数据库，为微生物组研究提供了丰富的资源。这些资源库不仅包含多样的微生物样本，还整合了相关的生态、基因组及功能信息，使得研究者可以高效筛选具有特定功能的微生物，推动农业、环境保护及医学等领域的应用。

■ 平台技术：智能化微生物功能改造 

微新生物构建突变体文库，利用高通量筛选和基因组编辑技术，结合机器学习、深度学习等AI技术，对微生物进行功能改造和性能提升。通过这种整合，微新生物能够快速识别潜在的功能基因，并实现其在工业生产中的优化应用。例如，针对某些有机物降解能力差的微生物，通过基因组编辑提升其代谢能力，从而提高生物降解效率。

■ 资源库：精准改造微生物的强大工具

微新生物开发了针对宿主共生菌的CRISPR-Cas编辑体系和宿主共生菌的噬菌体资源库，为微生物的精准改造提供了强有力的工具。这些先进的编辑工具使得研究者能够高效地进行基因改造，实现特定性状的获得，如提高抗逆性、增加产量等，促进了功能微生物在农业和环境修复中的应用。

创新引领未来，微生物组学的革新浪潮及其未来走向

在AI和合成生物技术的共同推动下，微生物组的产业现状正经历快速变革。越来越多的企业进入这一领域，竞争日益激烈，同时技术创新也不断涌现。

随着可持续发展理念日益受到重视，微生物组市场的潜力正逐渐被发掘。据知耕预测，到2030年，与微生物组相关的产品市场将可能达到数十亿美元的规模。在知耕看来，微生物组行业的发展需要集全产业之力共同推动。知耕作为技术商业化创投孵化平台一直在参与并促进微生物领域的发展与应用，以下为知耕基于对农业微生物行业的理解，梳理出的值得关注的发展趋势：

在微生物组的研发过程中，产学研的合作将日益紧密。目前已有众多企业已与多所高校和科研机构建立合作关系，将推动基础研究与实际应用的结合，也能显著提高企业抗风险能力。这种由产业、学术界和研究机构共同推动的合作模式，预计将持续为微生物组学领域的技术革新注入活力。通过这种积极的产学研协同作用，有望极大加速整个行业的发展进程。

随着基因组学、生物信息学和大数据分析技术的发展，未来农业微生物组产业将更加注重定制化农业解决方案。这包括根据不同地区、不同作物和不同的土壤类型，为农户提供个性化的微生物应用方案，以最大化增强农作物的生长和产量。

未来的发展趋势将会推动开发具有多功能性的微生物产品，不仅仅是单一的生长促进剂或者生物农药，还能够兼具抗逆性增强、土壤修复等多种功能。这样的产品能够更全面地支持可持续农业发展。

随着基因编辑和合成生物学技术的进步，未来的农业微生物组产业将更加注重微生物菌株的工程优化和遗传改良。通过这些技术，可以提高微生物菌株的稳定性、抗逆性和产业化应用效果。随着高通量测序技术的发展，微生物组的研究变得更加高效且成本更低。

当前，微生物组领域的监管政策尚不完善，影响了市场的稳定发展。知耕呼吁行业内加强政策交流，促进政府部门、企业和研究机构的合作，共同推动微生物组产品的标准化和监管机制的完善，以提升消费者信任度并确保产品安全。对于微生物产品的注册和审批流程逐渐明确，将有助于行业的规范发展和市场的健康竞争。

知耕从陪伴农业生物科技领域科创家成长的信念出发，策划打造基因编辑、合成生物学、RNA生物农药、生物基新材料等新兴农业生物科技领域的“技术商业化指南”，挖掘不同赛道标志性创新企业，通过技术商业化专访的方式，基于“CML（Commercial Maturity Level）商业成熟度”，从企业的第一视角出发，呈现具有不同技术、商业特色创新企业的创业路线，汲取最贴近创业实况的商业化经验，打造更多元的农业生物科技创业蓝图，为更多创业企业提供“从0到1”，甚至“从1到无穷”过程的借鉴与参考。

本期内容知耕邀请到AI+微生物领域创新企业代表微新生物的联合创始人兼首席科学家戴磊博士，与大家分享微新生物如何通过AI数据驱动微生物组研发，以及微生物组工程在人体健康、农业、碳中和领域的应用与探索。

AI+微生物组工程——微新生物

挖掘微生物组产业研发、生产与面向市场阶段痛难点

在微生物组产业，相关创新技术正在迅速发展升级迭代，未来这些技术有望成为助力农业、医药、食品和诊断领域取得突破性进展的重要推动力。但是，当前微生物组产业在研发、生产和市场推广阶段仍面临诸多阻碍发展的痛难点。戴磊博士结合实际情况，详细描述了各阶段的挑战。

■ 作用机制复杂性

微生物通过多种代谢过程对宿主产生影响，其作用机制复杂且多样。目前，对于特定疾病和情境下的微生物作用有一定的研究基础，但在其他情况下仍缺乏清晰的结论。不同微生物可能通过不同的代谢途径影响宿主的健康和药物疗效。因此，研究人员需加大对微生物作用机制的探索。

■ 菌株异质性

不同菌株在生物学特性上存在显著差异，且这种异质性通常被忽视。宿主遗传、饮食、生活环境等因素都会影响微生物群落的构成，导致个体间的菌群差异较大。因此，开发益生菌等微生物组产品时，需充分考虑个体化差异，通过个性化干预手段优化微生物组调节。

■ 个体差异性高度个性化

微生物组的个性化特点使得干预措施在不同个体上表现不一。与宿主的遗传背景、生活方式及原生菌群密切相关，个性化微生物干预可能成为未来肠道健康调节的关键策略。

■ 调控手段局限性

在研发过程中，有效调控不同微生物的手段较为有限。引入有益菌、抑制有害菌的“减法”调控手段尚需进一步优化。这增加了微生物组调节的复杂性，迫切需要开发更有效的调控策略。

■ 行业标准缺乏

目前，微生物组行业缺乏统一的标准，尤其是在数据处理、技术方法和产品评估等方面。数据可比性差、技术不一致、产品质量不稳定等问题，影响了研发进展和市场应用。制定有效的行业标准能够提升研发效率和产品质量，推动整体行业的发展。

■ 生产工艺复杂性

微生物制剂的生产工艺复杂，尤其是对于难以培养的肠道厌氧菌，工艺难度和成本高企。现有生产技术尚无法满足市场对高效、稳定微生物制剂的需求，急需工艺优化和设备升级，以提高生产效率并降低成本。

■ 研发成本高

研发活菌药物和微生物制剂的费用较高，尤其是在临床试验和市场验证阶段。企业需要承担巨大的实验费用，同时应对市场需求变化的挑战。这对小型企业构成了较大的压力，创新活力受到抑制。

■ 专利保护不足

由于活菌制剂缺乏有效的知识产权保护，企业在技术创新方面面临更大的风险。此外，专利缺失还导致行业内的模仿和竞争加剧，企业无法通过创新获得应有的市场回报，这削弱了行业的创新动力。

■ 政策监管缺乏标准

活菌药物和微生物制剂的政策法规滞后于技术发展，缺乏明确的剂量和使用标准，使得产品注册和推广过程中存在不确定性。这不仅增加了研发的风险，也影响了企业在市场中的信誉，阻碍了产品推广。

■ 市场接受度低

由于消费者对活菌产品的认知不足，以及对其效果的怀疑，市场接受度普遍较低。企业需要投入大量资源进行科普宣传，以提高消费者的信任和接受度。此外，缺乏有效的市场教育也影响了产品的销售和推广。

由于上述痛点，许多产品仍停留在较为基础的阶段，缺乏创新。综上所述，政策监管缺乏标准、生产工艺复杂、专利保护不足、市场接受度低以及研发成本高等痛点共同影响着微生物制剂行业的发展。要推动行业的健康发展，必须在政策、技术、市场教育等多方面进行协同创新与改进，以期实现可持续增长。

微生物组工程的多领域应用前景

随着微生物组研究的深入，合成生物学和AI技术的结合为微生物组工程带来了广泛的应用潜力。微生物群落被誉为“第二基因组”和“共生功能体”，其在农业、碳中和、大健康以及医药和食品领域都展现了巨大的发展空间。在医药、食品和农业等多个领域，对肠道微生物的需求广泛且日益增长。研究表明，肠道微生物不仅在维持健康和促进营养吸收方面起到重要作用，还与多种疾病的发生和发展密切相关。这种潜力引发了对肠道微生物产品的广泛关注，然而，由于上述痛点，许多产品仍停留在较为基础的阶段，缺乏创新。

图源：SynBiome

微生物组工程在农业中的应用已经显现出可持续发展的巨大潜力，不仅提高了生产效率，还减少了对化学农药和抗生素的依赖，为未来农业的绿色发展提供了技术支持。

■ 生物固氮与作物生长促进

传统农业依赖大量氮肥，导致环境污染和温室气体排放。通过微生物组工程，利用固氮微生物如根瘤菌，能够实现自然固氮，减少化学肥料的使用。以巴西的大豆种植为例，大豆与根瘤菌共生的固氮系统不仅大幅减少了氮肥使用，还节省了农户的投入。未来，通过工程化新的固氮微生物，这项技术有望推广至玉米、小麦等更多作物，实现更广泛的绿色农业。

■ 土壤改良与生物肥料 

化学肥料虽然能够在短期内提高作物产量，但对土壤健康有长期的负面影响。微生物组工程可以通过设计特定的微生物群落来改良土壤，提升土壤养分利用效率，从而促进作物生长。美国的玉米研究表明，促生根菌群的引入不仅提升了作物产量，还减少了对化肥的依赖。印度的棉花试验也显示，通过微生物肥料，化肥使用量减少了30%。这种土壤改良和生物肥料技术将在干旱和贫瘠地区发挥重要作用，帮助农民提高农业生产效益。

■ 农业领域生物防治

农业中过度使用化学农药不仅增加了病虫害的耐药性，还威胁到生态系统的平衡。微生物组工程通过开发基于天然微生物的生物防治技术，可以替代化学农药。例如，在欧洲，寄生性真菌成功控制了葡萄的病害，将化学农药的使用减少了80%。中国的水稻种植试验也证明了基于微生物组的生物防治技术使病虫害的发生率降低了40%。未来，这类生物防治系统将更加精准，有助于减少农药依赖，保护生态环境。

■ 畜牧业领域减抗替抗方案 

畜牧业中抗生素的广泛使用导致了全球性耐药性问题，威胁人类健康和生态安全。通过微生物组工程，微生物制剂和酶制剂可以替代传统抗生素，减少其使用，从而降低耐药性。例如，丹麦的畜牧业利用抗菌肽成功取代抗生素，畜群健康状况得到显著提升，耐药性问题也有所缓解。在中国，益生菌微生物制剂的使用减少了猪场中抗生素的依赖，并提高了猪的生长速度。随着微生物组技术的不断进步，新型微生物制剂将在农业和畜牧业中广泛推广，提供更加安全的抗菌解决方案。

在应对全球气候变化和碳排放问题中，微生物组工程也展示出巨大的潜力，特别是在甲烷减排和二氧化碳的生物转化方面。

■ 畜牧业领域肠道甲烷减排 

畜牧业生产中的甲烷排放是全球变暖的重要因素之一，尤其是牛、羊等反刍动物的肠道发酵过程中会产生大量甲烷。通过改造畜牧业中肠道内的产甲烷古菌，微生物组工程可以显著减少甲烷的排放，从而减缓短期气候升温的速度。研究表明，通过调控瘤胃内的微生物群落，能够有效减少畜牧业甲烷排放，为实现农业生产碳中和目标提供可行的解决方案。

■ 工业领域二氧化碳生物转化

微生物组技术可以通过设计和应用特定的微生物群落，将二氧化碳转化为有用的化合物，如甲烷、乙醇等清洁能源或工业原料。这不仅有助于减少大气中的二氧化碳浓度，还能为工业生产提供可持续的能源来源，实现双重效益。

微生物组与人体健康的关联愈发紧密，特别是在肠道微生物组的调控和新型益生菌、益生元的开发中，微生物组工程成为精准健康管理的重要工具。

■ 肠道微生物组调控 

肠道微生物在调节人体免疫系统、代谢功能、消化系统健康等方面具有重要作用。通过微生物组工程，科学家可以优化肠道微生物的多样性与平衡，促进有益菌群的定植，从而帮助预防和治疗与肠道相关的疾病，如炎症性肠病、肥胖、糖尿病等。针对不同患者的个体化治疗方案也正在逐步开发，实现精准健康管理。

■ 益生菌和益生元等功能性成分开发 

新型益生菌和益生元的研发已成为功能性食品和保健品领域的重要趋势。通过微生物组工程，研发人员能够从自然界中筛选出具有特殊健康功效的微生物菌株，并通过基因改造增强其功能。这些益生菌产品不仅能调节肠道菌群平衡，还能提高免疫力，预防代谢性疾病，甚至影响大脑健康，形成“肠脑轴”机制的调控。

随着健康需求的增加，微生物组工程在医药和食品领域中展现了广阔的应用前景，特别是在免疫系统调控、代谢性疾病治疗及功能性食品开发方面。

■ 医药领域的肠道微生物组应用  

研究表明，肠道微生物组与免疫系统、神经系统及代谢性疾病之间有着密切关联。通过调整肠道微生物群落的组成，微生物组工程有望在治疗自身免疫性疾病、炎症性肠病等领域取得突破。例如，通过益生菌制剂对肠道免疫微环境进行精准调控，可以有效缓解肠道疾病并改善患者的整体健康。

■ 食品领域的功能性食品开发 

随着消费者对健康饮食的重视，市场对功能性食品和发酵食品的需求逐步增加。微生物组工程能够根据消费者的需求，开发出具有特定健康功效的功能性食品，如含有高效益生菌的酸奶、饮料等。这些产品不仅帮助改善肠道健康，还能够预防疾病，提升整体生活质量。

尽管微生物组技术在多个领域展现了强劲的应用潜力，当前的技术创新仍然面临着诸多挑战，如标准化不足、技术壁垒及高成本等。在推动微生物组技术发展方面，标准化、监管、技术创新和成本控制是必须解决的关键问题。

■ 标准化存在较大差异

目前市场上不同公司的微生物组产品在质量上存在较大差异，影响了消费者的信任度和接受度。许多企业在微生物组产品的研发过程中缺乏统一的技术标准，这导致了同类产品在活性成分的种类、数量、稳定性等方面存在显著差异。不同的生产工艺、储存条件和菌株来源都可能导致产品功效的波动。例如，在生物肥料领域，一些公司推出的微生物肥料声称能够提高作物产量，但实际应用中，产品的效果因土壤条件、气候差异等因素而大相径庭。正是因为缺乏标准化的生产流程和质量控制，许多产品未能在不同的农业环境中实现预期效果。

■ 监管缺乏统一体系

由于缺乏统一的质量标准和监管体系，部分微生物组产品的功效难以验证，尤其是在农业、生物肥料和健康领域，这种不一致性阻碍了技术的大规模推广。目前，全球范围内针对微生物组产品的监管框架仍处于初期阶段。许多国家的农业和食品监管机构尚未出台针对微生物组产品的明确标准，这使得市场上的产品质量参差不齐，且没有统一的机制来评估其功效和安全性。例如，在农业领域，一些国家虽然允许销售微生物肥料，但对其成分、使用方法和效果缺乏严格的监管，这使得某些进入市场的产品质量参差不齐。

■ 创新程度不足

微生物组技术的研发和生产成本较高，这制约了其大规模推广和应用。尽管需求巨大，但由于技术和成本等问题，现有产品缺乏创新。未来需要在技术研发、市场应用和监管支持上取得更大突破，推动微生物组工程的全面发展。

微生物组工程作为生物科技的重要前沿，已经在农业、碳中和、大健康、医药和食品等领域展示出巨大的应用前景。通过数据驱动的微生物平台和AI技术，合成生物学为这些领域的创新提供了强有力的支持。尽管面临挑战，未来随着技术进步和标准化建设，微生物组工程将进一步推动各个行业的发展，实现更大规模的商业化应用。

从微生物到代谢产物，微新生物以“AI+合成生物”革新未来发展趋势

戴磊博士认为，随着技术的进步，微生物代谢产物逐渐成为研发的重点。相比于活菌，代谢产物在安全性和应用效率方面具有显著优势。然而，在开发代谢产物时，仍面临诸如代谢产物递送、活性保持等挑战。在合成生物学与人工智能（AI）的结合中，微生物研究正迈向数据驱动的新阶段，尤其在肠道微生物组、蛋白质设计、高通量筛选等领域展现出巨大的潜力。微新生物作为这一领域的先行者，凭借其创新技术平台和研发能力，推动了微生物研究及其应用的革新。未来，随着这些问题的解决，代谢产物的应用将进一步拓展。

■ AI驱动的微生物组研究

戴磊博士表示，传统的微生物组研究依赖于培养基上的微生物分离与鉴定，然而，许多微生物无法在实验室中培育。这种限制严重阻碍了对肠道菌群、土壤微生物等复杂环境中的微生物了解的深度。而随着人工智能（AI）技术和大数据分析的发展，微生物组研究进入了全新的时代。通过对海量基因组数据的分析，AI能够识别并解析大量未曾培育过的微生物功能。AI+合成生物学不仅能提升研究的广度和精度，还为了解微生物在宿主健康中的关键作用提供了新思路，为个性化的健康干预提供了科学依据。

在临床应用中，AI算法已经被用于分析患者的肠道微生物组，辅助诊断疾病或预防健康问题。这种技术还能被用于预测不同人群的微生物组差异，使研究人员能够设计出个性化的干预方案，如益生菌产品或代谢产物治疗。AI+合成生物学的结合为肠道菌群功能的解析、微生物功能的预测等带来了新思路，使个性化健康干预成为可能。

■ 数据驱动的微生物功能预测

借助AI的深度学习算法，研究者可以通过对微生物基因组数据的深入分析，预测其潜在的生物学功能。例如，AI能够通过识别特定基因与宿主健康或疾病的关联，从而揭示微生物在人体或其他宿主中的生物功能。这一技术对于疾病诊断、健康管理以及微生物组功能干预具有重要的推动作用，特别是在精准医学领域。例如，AI可以识别某些菌株是否具备抗炎、抗氧化或抗菌等生物学功能，这对药物开发和功能性食品的研制提供了关键性信息。这一过程的自动化和高效化，不仅提高了研究效率，也为精准的微生物干预提供了科学依据。

■ 基因组数据的爆炸式增长

随着高通量测序技术的进步，基因组数据量呈现出爆炸式增长。过去几年中，微生物基因组数据从数百万个增长到数十亿个，涵盖了多个复杂环境中的微生物生态系统。AI的引入让研究人员得以从这些复杂的数据集中挖掘有用的信息，发现新的微生物种类和功能，推动微生物组研究从实验室走向临床应用及产业化。微新生物这种基于AI的数据驱动方法，不仅能够大幅加快微生物的发现速度，还为大规模、复杂环境中的微生物功能解析提供了更加全面和系统的视角。例如，利用AI识别环境中稀有但功能重要的微生物，为生态学和农业等领域的应用带来了深远影响。

■ 生物信息学的快速发展

生物信息学作为交叉学科，结合了计算机科学、统计学和生物学，为微生物组数据的解析提供了强大的工具和算法。通过这些技术，科研人员能够分析微生物的基因组特征，进而发现其在生态系统中的功能与作用，极大加速了研究进程。

■ 个性化微生物组干预

微新生物数据驱动的方法能够帮助研究者识别个体间的微生物组差异，从而实现个性化的健康干预。例如，AI技术能够通过对个人肠道微生物组数据的分析，开发出更为精准的益生菌干预策略或个性化药物，帮助优化健康管理策略。这种个性化干预的潜力不仅体现在预防疾病上，还能够针对特定个体的疾病状态提供有针对性的治疗方案，从而提高临床治疗效果。在未来的健康管理中，基于微生物组数据的个性化干预方案可能涵盖从儿童营养补充到老年人健康管理等多个领域，成为提升人类健康的重要工具。

■ 代谢产物的优势

戴磊博士表示，近年来，微生物代谢产物因其稳定性和高效性逐渐受到广泛关注。与活菌相比，微生物代谢产物不易受宿主环境变化的影响，更加安全和稳定。这些代谢产物在抗菌、调节免疫、改善代谢等方面具有广泛的应用前景。例如，某些代谢产物可通过调节宿主肠道环境来改善其健康状态，或者用作治疗药物以代替活菌制剂，避免活菌在体内可能带来的不确定性风险。此外，微生物代谢产物还可应用于农业中，促进植物生长、提升土壤健康，甚至控制病害。这些广泛的应用展示了其在医药、农业及功能性食品中的巨大潜力。

■ 研发方向与挑战

随着合成生物学和代谢工程的发展，利用基因编辑技术改造微生物以生产特定代谢产物成为重要研发方向。例如，通过设计微生物生产抗炎代谢产物，用于治疗肠道炎症疾病。但在实际应用中，递送系统的优化和代谢产物的稳定性仍是亟待解决的难题。然而，代谢产物的递送与活性保持仍是需要解决的技术挑战。此外，行业标准的完善也是其未来应用中的关键问题。

微新生物是合成生物学与AI结合的代表性企业，其在高通量筛选、蛋白质设计、基因组编辑等领域展示了强劲的技术优势。

■ 高通量筛选

微新生物依托于深圳合成生物学重大基础研究设施的高通量、自动化实验平台，运用高通量筛选技术，加速了微生物、酶和代谢产物的发现和优化过程。通过自动化设备和大数据分析，能够在短时间内筛选出具有特定功能的微生物菌株或代谢产物，大幅提高实验效率，缩短研发周期。该技术可以实现海量样本的快速分析，降低了研发成本，并提高了筛选的精确性，加速科研创新的产业转化效率。

■ 蛋白设计与基因组编辑

微新生物在蛋白设计和基因组编辑方面具备强大的能力，戴磊博士及其团队利用计算设计改造酶的底物特异性与热稳定性，利用计算生物学和合成生物学手段，从头设计具有特定功能的人工酶。该技术精准设计和优化蛋白质的结构和功能，推动了蛋白质工程领域的发展。其基因组编辑平台能够对微生物的基因组进行精确操作，实现了微生物基因的敲除、敲入和定点修复。这种能力使其在生物制造和生物医药等领域具有显著的技术领先优势。

■ 微生物菌株库与元件库

微新生物通过整合人工智能与合成生物学技术，构建了数据驱动的微生物组工程平台，拥有广泛的微生物菌株库和元件库，形成了其创新研发的资源基础。菌株库包含大量经过优化的工业菌株，适用于多种应用场景，元件库则汇集了包括启动子、终止子、酶等在内的标准化基因元件，可灵活组合应用，快速定制微生物平台。这些资源使微新生物能够研发出促进农作物、动物和人体健康的功能微生物，在新产品开发和技术迭代上具备显著优势，为合成生物学的深入研究提供了有力支持。

通过这三个维度，微新生物在合成生物学和生物制造领域展现了强劲的技术实力，特别是在微生物和酶的优化与设计上，具有领先的竞争优势。

数据驱动的研究方法，尤其是在AI和合成生物学的结合下，正在显著加速微生物组的研究进展。微新生物等创新企业通过高通量筛选、蛋白设计和基因组编辑等技术，推动了从微生物到代谢产物的全产业链创新。尽管面临递送、活性保持和行业标准等挑战，未来的技术突破将进一步拓展其应用范围，实现微生物组研究的更大价值。

面向功能微生物与基因的挖掘和改造的应用场景

微新生物建立了包含微生物基因组数据库、分析流程、人工智能算法、菌株筛选及体内功能验证的全流程研发平台。该平台使得从基础研究到应用开发的过程更加流畅和高效，支持各类微生物产品的研发。

■ 平台技术：前沿微生物研究的基础

微新生物通过微生物分离、鉴定和基因组测序等技术，结合高性能计算集群和宏基因组分析，深入研究微生物的功能和作用机制。这些技术的结合不仅提高了微生物的识别和功能验证效率，还为后续的应用开发奠定了坚实基础。例如，通过宏基因组分析，微新生物能够识别土壤和肠道中的关键微生物种群，从而探讨其在环境和健康中的作用。

■ 资源库：丰富的微生物组研究支持

微新生物建立了高通量培养组与菌株库，以及植物、动物、人体共生微生物的数据库，为微生物组研究提供了丰富的资源。这些资源库不仅包含多样的微生物样本，还整合了相关的生态、基因组及功能信息，使得研究者可以高效筛选具有特定功能的微生物，推动农业、环境保护及医学等领域的应用。

■ 平台技术：智能化微生物功能改造 

微新生物构建突变体文库，利用高通量筛选和基因组编辑技术，结合机器学习、深度学习等AI技术，对微生物进行功能改造和性能提升。通过这种整合，微新生物能够快速识别潜在的功能基因，并实现其在工业生产中的优化应用。例如，针对某些有机物降解能力差的微生物，通过基因组编辑提升其代谢能力，从而提高生物降解效率。

■ 资源库：精准改造微生物的强大工具

微新生物开发了针对宿主共生菌的CRISPR-Cas编辑体系和宿主共生菌的噬菌体资源库，为微生物的精准改造提供了强有力的工具。这些先进的编辑工具使得研究者能够高效地进行基因改造，实现特定性状的获得，如提高抗逆性、增加产量等，促进了功能微生物在农业和环境修复中的应用。

创新引领未来，微生物组学的革新浪潮及其未来走向

在AI和合成生物技术的共同推动下，微生物组的产业现状正经历快速变革。越来越多的企业进入这一领域，竞争日益激烈，同时技术创新也不断涌现。

随着可持续发展理念日益受到重视，微生物组市场的潜力正逐渐被发掘。据知耕预测，到2030年，与微生物组相关的产品市场将可能达到数十亿美元的规模。在知耕看来，微生物组行业的发展需要集全产业之力共同推动。知耕作为技术商业化创投孵化平台一直在参与并促进微生物领域的发展与应用，以下为知耕基于对农业微生物行业的理解，梳理出的值得关注的发展趋势：

在微生物组的研发过程中，产学研的合作将日益紧密。目前已有众多企业已与多所高校和科研机构建立合作关系，将推动基础研究与实际应用的结合，也能显著提高企业抗风险能力。这种由产业、学术界和研究机构共同推动的合作模式，预计将持续为微生物组学领域的技术革新注入活力。通过这种积极的产学研协同作用，有望极大加速整个行业的发展进程。

随着基因组学、生物信息学和大数据分析技术的发展，未来农业微生物组产业将更加注重定制化农业解决方案。这包括根据不同地区、不同作物和不同的土壤类型，为农户提供个性化的微生物应用方案，以最大化增强农作物的生长和产量。

未来的发展趋势将会推动开发具有多功能性的微生物产品，不仅仅是单一的生长促进剂或者生物农药，还能够兼具抗逆性增强、土壤修复等多种功能。这样的产品能够更全面地支持可持续农业发展。

随着基因编辑和合成生物学技术的进步，未来的农业微生物组产业将更加注重微生物菌株的工程优化和遗传改良。通过这些技术，可以提高微生物菌株的稳定性、抗逆性和产业化应用效果。随着高通量测序技术的发展，微生物组的研究变得更加高效且成本更低。

当前，微生物组领域的监管政策尚不完善，影响了市场的稳定发展。知耕呼吁行业内加强政策交流，促进政府部门、企业和研究机构的合作，共同推动微生物组产品的标准化和监管机制的完善，以提升消费者信任度并确保产品安全。对于微生物产品的注册和审批流程逐渐明确，将有助于行业的规范发展和市场的健康竞争。