一、大麻素的革命：定向去除大麻致癮成分THC，為大麻正名重拾其醫用價值
目前，全球約有40家從事生物合成大麻素的企業，根據大麻市場研究公司New Frontier Data 的一項新分析，全球大麻消費市場價值3440億美元。
大麻素市場增長的一個關鍵原因，在於大麻素的醫用價值正在越來越多被應用，而以發酵合成生物學方式進行低成本和高純度生產大麻素的公司將擁有更多機會。
雖然大麻素的生產大多數都還是從大麻植株中直接提取，但這並不妨礙科學家們對應用微生物工程來生產大麻素的興趣。早在2014年，加拿大科學家Kevin Chen便嘗試以合成生物學的方式製造大麻素，併成立了Hyasynth Biologicals生物技術公司。
2015年，丹麥科學家Nehtaji Gallage在擔任哥本哈根大學研究員時，致力於尋找到大麻植株中能夠產出大麻素化合物的獨特基因，這成為透過合成生物學方式批次生產大麻素的關鍵步驟。
2019年7月11日，專注於生產大麻素的生物技術公司Demetrix宣佈完成5000萬美元A輪融資。本輪融資由Tuatara Capital領投，李嘉誠私人投資機構Horizons Ventures跟投，算上Demetrix在2017年8月完成種子融資中的1000萬美元，李嘉誠連投了這家生物合成大麻素企業兩次。
生物合成“乾淨”的大麻二酚
由於大麻素和毒品大麻之間的關聯性，讓大麻素研究一直被汙名化。大麻素其實是從大麻里提取出來的一組萜酚類化合物，它們天然地存在於動物神經和免疫系統裡，起到神經遞質的作用，對神經系統具有多種藥理效果。所以對大麻素的研究有望為神經、心理及免疫缺陷疾病的患者找到一些突破性的療法。
大麻中最著名的大麻素成分莫過於能讓人產生成癮性的四氫大麻酚（THC），而大麻素中被證明對精神疾病和癲癇疾病具有治療價值的大麻二酚（CBD）並不具有致癮性。早在2019年，美國加州大學伯克利分校的研究人員就率先在酵母中分別生產THC和CBD，為發酵生成大麻素打開了大門。
這種透過酵母發酵產生大麻素的生產方式就是合成生物學。相比於傳統的植物提取方法，生物合成大麻素能夠有效擺脫天氣、地理、蟲害等因素的影響，節約耕地、減少資源浪費，快速實現大規模生產——僅需幾周的發酵週期，即可替代數月的種植週期，創造出高純度的CBD原料，藥物結構與自然結構相同、功效同等。
“從大麻植株中提取CBD是非常難徹底去除THC的，但是如果你採取生物合成的方式生產，在做微生物設計的時候就可以決定最終產物是什麼”丹麥科學家Nehtaji Gallage曾強調。
一般生物合成是先透過計算分析，找到植株大麻代謝大麻素的代謝途徑，然後透過功能模組設計及代謝途徑最佳化手段，定向設計能夠分泌出大麻素的細胞工廠。這種細胞工廠可以替代傳統大麻種植獲取大麻素的方式，幫助藥企在短時間內大量獲取高純度大麻素。
一百平方米的發酵車間已經可以代替數萬平方米的大麻種植面積，以低成本的原料合成高附加值的核心藥物，同時生物合成高純度的CBD大麻素也避免了傳統大麻素提取時混入THC的干擾。
研究人員在酵母中設計的代謝途徑示例圖
如何選擇合適的大麻素底盤細胞？
生產大麻素的“高效細胞微工廠”用什麼細胞作為底盤細胞最為合適？每個公司的選擇或許各不相同。但由於底盤細胞需要進行改造開發和增殖擴大，所以對其適應性要求非常高，目前產業內最受歡迎的底盤細胞是酵母菌，因為酵母細胞方便基因操作且方便培養。
不過由於採用酵母細胞作為底盤細胞進行生物合成大麻素已經成為熱門應用場景，初創企業再次採用同樣策略將會面臨諸多專利侵權風險，所以產業界也在積極採用創新的地盤細胞嘗試生產大麻素。
無論採用哪種細胞作為底盤細胞，將他們改造為“高效細胞微工廠”都需要解決非常多的難題：細胞毒性、細胞抑制、細胞分泌、代謝平衡、發酵最佳化、下游加工等等，如果協同不好這些因素，那麼就會導致生產失敗。
尤其是在生產醫藥級大麻素方面，還需要考慮到各國立法方面的規定。例如在中國，工業大麻素中THC含量超過0.3%則是違法。
2020年底，加州一家名為Biomedican的生命科學公司因為在獲得專利、低成本生物合成稀有大麻素的方法上取得的快速進展而備受關注。該公司使用一種名為Yarrowia脂質酵母的專利菌株來提取藥用級的大麻素，其化學成分與從大麻植物中提取的成分完全相同。
他們已經成功地生物合成了CBG(大麻萜酚)/CBGA(大麻萜酚酸)，這是一種無精神活性的大麻素，有望具有廣泛的抗炎、抗菌和抗氧化功能。另外，還合成了THCV(四氫次大麻酚)/THCVA(四氫次大麻酚酸)。THCV在抑制CB1受體的同時，也能啟用CB2受體。
該公司預計CBG/CBGA的產量將低於1美元/克，而目前的市場價格約為20美元/克。該公司還預計，生產THCV/THCVA的成本比目前的批發成本低約90%。
全球大麻素的需求正以驚人的速度增長，但實際上生物合成大麻素的工藝並非適用於所有的大麻素。生物合成技術在稀有大麻素的生產以及製藥開發領域更有用武之地，至於一般工業用途的大麻素，植物提取也許仍然是更佳的選擇。
二、大麻塑膠的革命：合成大麻生物塑膠，石化塑膠的終結
比爾蓋茨：“碳中和是一場能源革命”。2021年7月15日，上海環境能源交易所釋出公告，根據國家總體安排，全國碳排放權交易於7月16日正式開市。
什麼是碳排放交易？假如碳排放的總量是限定的。那麼在這個框架內，我們就可以透過技術升級來降低碳排放。每個國家都有相應的“指標”。
比如說今年全球限定排放100單位的碳排放量 ，A國獲得15的指標， B國獲得10的指標 其它國家獲得其餘75單位指標。如果A國只排放了10個單位的碳排放量，而B國剛好排了12個單位，那麼B國就可以從A國購買2個單位的碳排量。
在中國，“碳中和”也成為2021年最重要的關鍵詞之一。今年中國兩會期間提出了“碳達峰、碳中和”概念，即2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。
什麼是碳中和？碳中和是指企業、團體或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳排放總量，透過二氧化碳去除手段，如植樹造林、節能減排、產業調整等，抵消掉這部分碳排放，達到“淨零排放”的目的。
石化企業是高耗能、高汙染、高排放企業。顯然如果不採取節能減排的技術改造措施，將很難滿足未來環保要求。在可見的未來，低碳、零碳以及負碳行業將迎來爆發機會！
顯然，驅動生物塑膠製造的源動力主要來自於外界的法規和環境保護，而不是真正的市場“內需”。政策法規對可生物降解和生物基塑膠的要求越來越嚴格，這會推動生物塑膠的增長，也會推動其背後技術的發展。
大麻塑膠代替石化塑膠
根據環境法中心的一份新報告估計，僅今年一年，塑膠汙染將向大氣排放8.5億噸二氧化碳。到2050年，它的排放量可以佔到地球剩餘碳預算的14%。隨著我們對便利的需求增加，我們無法真正做到完全停止購買塑膠製品，但是，大麻塑膠的出現將改變這一切。
一些具有前瞻性思維的企業意識到大麻塑膠的重要性。
生物合成塑膠賽道
2020年，全球的塑膠產量約3.68億噸，其中生物基塑膠產能約1%，僅有211萬噸。雖然這個資料不高，但生物塑膠的產量也正在逐年穩步上升，據European Bioplastics e.V.生物塑膠市場資料預測，到2025年全球生物塑膠產量將達到287萬噸。
合成生物學的出現加速了生物塑膠的發展，透過生物合成技術人們可以定向設計一個能夠持續產生塑膠化合物的細胞工廠，這種設想已經在PHA（聚羥基脂肪酸酯）上得到了驗證。一些公司透過菌株發酵最佳化，成功實現從細菌中生產PHA。
聚羥基脂肪酸酯(PHA)，是近20多年迅速發展起來的，是很多微生物合成的一種細胞內聚酯，是一種天然的高分子生物材料。PHA同時具有良好的生物相容效能､生物可降解性和塑膠的熱加工效能，它可作為生物醫用材料和生物可降解包裝材料。
PHA的生產是一種低能耗和低二氧化碳排放的生產，因此從生產過程到產品對於環境保護都是很有利的，貼切符合“碳中和”的政策和市場要求。
在過去，PHA的價格還很難和石化塑膠相競爭，而聚丙烯的價格低於1美元/kg，而一些便宜的生物可降解塑膠的價格為3-6美元/Kg，較理想的PHB（第一代PHA）的生產成本為4美元/kg。
透過植物廢料利用和菌種改良可將PHA的成本大大降低，PHA生產的植物廢料利用將使經濟作物的可再生資源使用大大地邁進，目前一些公司的PHA成本，已經接近現有石化塑膠的成本價格。
植物最佳原料來源是工業大麻
工業大麻作為低碳經濟作物，有望在實現碳中和目標中大顯身手。整棵植株在綜合應用方面是植物界的無冕之王。
工業大麻韌皮纖維可以替代棉花；
稈芯可以代替木材用來造紙；
工業大麻籽可以代替石油用來製造生物柴油；
工業大麻根可以生產生物燃料代替煤用來發電；
工業大麻與其它原材料混合可生產各種複合材料產品。
如今全球瘋狂增長的大麻種植產業中，副產物最多的就是杆、莖、葉，這是最佳生物塑膠的原料來源，相比常規的原料如玉米、馬鈴薯等，工業大麻原料不會損害全球食品供應。
1、工業大麻的低碳優勢
工業大麻具有顯著的低碳性，從種植到收穫，每噸工業大麻排放的CO2僅為544kg，而棉花為1680kg，合成纖維生產CO2排放量比天然纖維高10~20倍。
同時，工業大麻也是一種優秀的“碳匯”植物。種植1公頃工業大麻在100天的生長週期內可以在纖維素碳中隔離儲存約20噸的CO2，並在土壤中隔離貯存另外500kg的CO2，具有明顯的固碳效應，是一種很好的低碳環保經濟作物。
據測算，1公頃工業大麻在100天的生長期內CO2碳匯可達25噸，遠高於棉花的11噸。種植1000萬畝工業大麻，每年僅農業種植即可創造約0.16億噸碳匯，按目前國際碳匯交易平均價350元/噸計算，創造約56億的碳匯收入。
2、大麻塑膠取代石化塑膠的可行性在最佳條件下，石油塑膠製品需要450年到1000多年才能最終實現生物降解。這並不意味著它們安全歸於塵土河海，這些塑膠瓶會留下由有毒化學物質組成的汙泥或殘渣，持續影響著生態。
常規塑膠含有內分泌干擾物，如BPA，會干擾人體內分泌系統（aka激素）。這種激素在體內的不平衡可以刺激腫瘤的發生。內分泌干擾物也可以滲入土壤和地下水，破壞自然環境和人類健康。而大麻生物塑膠不含有害的內分泌干擾物，完全無毒。
而大麻生物可降解塑膠通常在三到六個月內分解。所以如果它最終進入海洋，它可以被 鯨魚、海豚等作為食物來源食用和消化。
大麻塑膠80天降解過程
3、大麻是否是最好的生物替代材料
關於可替代生物質的選擇，大麻桿莖含有大約70%的纖維素，木材含有40%的纖維素，玉米含有47%，棉花則以高達90%的纖維素含量領先。然而，棉花的生長需要消耗比大麻多50%的水，而且全球一半以上的殺蟲劑都打在了棉花地裡面。
相比之下，大麻生長過程基本不需要人工灌溉和殺蟲劑。這是一種超快速增長的可再生資源，它的固碳量是棉花的3倍，碳排放是棉花的1/3。
從整體環境保護而言，大麻生物塑膠是代替石油基塑膠最理想的選擇。所以，工業大麻塑膠、樹脂和生物複合材料的應用前景是無限的。大麻塑膠幾乎可以製造任何形狀和用途的產品，如傢俱、零件、玩具、包裝等。
根據中科院天津工業生物技術研究所統計，生物製造產品和石化路線相比平均節能減排30%~50%，未來潛力將達到50%~70%。研究公司Grand View Research預測，2030年生物塑膠將控制塑膠市場至40%。
對於大麻基生物塑膠所佔市場份額，分析人員認為，未來大麻基生物塑膠必將超過石油基塑膠。（參考來源：百度百科）
