一、大麻素的革命：定向去除大麻致瘾成分THC，为大麻正名重拾其医用价值
目前，全球约有40家从事生物合成大麻素的企业，根据大麻市场研究公司New Frontier Data 的一项新分析，全球大麻消费市场价值3440亿美元。
大麻素市场增长的一个关键原因，在于大麻素的医用价值正在越来越多被应用，而以发酵合成生物学方式进行低成本和高纯度生产大麻素的公司将拥有更多机会。
虽然大麻素的生产大多数都还是从大麻植株中直接提取，但这并不妨碍科学家们对应用微生物工程来生产大麻素的兴趣。早在2014年，加拿大科学家Kevin Chen便尝试以合成生物学的方式制造大麻素，并成立了Hyasynth Biologicals生物技术公司。
2015年，丹麦科学家Nehtaji Gallage在担任哥本哈根大学研究员时，致力于寻找到大麻植株中能够产出大麻素化合物的独特基因，这成为通过合成生物学方式批量生产大麻素的关键步骤。
2019年7月11日，专注于生产大麻素的生物技术公司Demetrix宣布完成5000万美元A轮融资。本轮融资由Tuatara Capital领投，李嘉诚私人投资机构Horizons Ventures跟投，算上Demetrix在2017年8月完成种子融资中的1000万美元，李嘉诚连投了这家生物合成大麻素企业两次。
生物合成“干净”的大麻二酚
由于大麻素和毒品大麻之间的关联性，让大麻素研究一直被污名化。大麻素其实是从大麻里提取出来的一组萜酚类化合物，它们天然地存在于动物神经和免疫系统里，起到神经递质的作用，对神经系统具有多种药理效果。所以对大麻素的研究有望为神经、心理及免疫缺陷疾病的患者找到一些突破性的疗法。
大麻中最著名的大麻素成分莫过于能让人产生成瘾性的四氢大麻酚（THC），而大麻素中被证明对精神疾病和癫痫疾病具有治疗价值的大麻二酚（CBD）并不具有致瘾性。早在2019年，美国加州大学伯克利分校的研究人员就率先在酵母中分别生产THC和CBD，为发酵生成大麻素打开了大门。
这种通过酵母发酵产生大麻素的生产方式就是合成生物学。相比于传统的植物提取方法，生物合成大麻素能够有效摆脱天气、地理、虫害等因素的影响，节约耕地、减少资源浪费，快速实现大规模生产——仅需几周的发酵周期，即可替代数月的种植周期，创造出高纯度的CBD原料，药物结构与自然结构相同、功效同等。
“从大麻植株中提取CBD是非常难彻底去除THC的，但是如果你采取生物合成的方式生产，在做微生物设计的时候就可以决定最终产物是什么”丹麦科学家Nehtaji Gallage曾强调。
快速、大规模产出大麻素
一般生物合成是先通过计算分析，找到植株大麻代谢大麻素的代谢途径，然后通过功能模块设计及代谢途径优化手段，定向设计能够分泌出大麻素的细胞工厂。这种细胞工厂可以替代传统大麻种植获取大麻素的方式，帮助药企在短时间内大量获取高纯度大麻素。
一百平方米的发酵车间已经可以代替数万平方米的大麻种植面积，以低成本的原料合成高附加值的核心药物，同时生物合成高纯度的CBD大麻素也避免了传统大麻素提取时混入THC的干扰。
如何选择合适的大麻素底盘细胞？
生产大麻素的“高效细胞微工厂”用什么细胞作为底盘细胞最为合适？每个公司的选择或许各不相同。但由于底盘细胞需要进行改造开发和增殖扩大，所以对其适应性要求非常高，目前产业内最受欢迎的底盘细胞是酵母菌，因为酵母细胞方便基因操作且方便培养。
不过由于采用酵母细胞作为底盘细胞进行生物合成大麻素已经成为热门应用场景，初创企业再次采用同样策略将会面临诸多专利侵权风险，所以产业界也在积极采用创新的地盘细胞尝试生产大麻素。
例如，美国生物技术公司Creo采用从合成生物学鼻祖Amyris授权获得的细菌作为底盘细胞生产大麻素；德国Farmako尝试通过龙兰细菌从糖中生产大麻素，并且已经申请了全球专利；加拿大生物技术公司Algae-C通过藻类微生物进行大麻素培养，藻类可以利用废水和二氧化碳作为营养来源，天然富含生产大麻素所需的许多前体。
无论采用哪种细胞作为底盘细胞，将他们改造为“高效细胞微工厂”都需要解决非常多的难题：细胞毒性、细胞抑制、细胞分泌、代谢平衡、发酵优化、下游加工等等，如果协同不好这些因素，那么就会导致生产失败。
尤其是在生产医药级大麻素方面，还需要考虑到各国立法方面的规定。例如在中国，工业大麻素中THC含量超过0.3%则是违法。
生物合成在制药领域更有用武之地
2020年底，加州一家名为Biomedican的生命科学公司因为在获得专利、低成本生物合成稀有大麻素的方法上取得的快速进展而备受关注。该公司使用一种名为Yarrowia脂质酵母的专利菌株来提取药用级的大麻素，其化学成分与从大麻植物中提取的成分完全相同。
他们已经成功地生物合成了CBG(大麻萜酚)/CBGA(大麻萜酚酸)，这是一种无精神活性的大麻素，有望具有广泛的抗炎、抗菌和抗氧化功能。另外，还合成了THCV(四氢次大麻酚)/THCVA(四氢次大麻酚酸)。THCV在抑制CB1受体的同时，也能激活CB2受体。
该公司预计CBG/CBGA的产量将低于1美元/克，而目前的市场价格约为20美元/克。该公司还预计，生产THCV/THCVA的成本比目前的批发成本低约90%。
全球大麻素的需求正以惊人的速度增长，但实际上生物合成大麻素的工艺并非适用于所有的大麻素。生物合成技术在稀有大麻素的生产以及制药开发领域更有用武之地，至于一般工业用途的大麻素，植物提取也许仍然是更佳的选择。
二、大麻塑料的革命：合成大麻生物塑料，石化塑料的终结
比尔盖茨：“碳中和是一场能源革命”。2021年7月15日，上海环境能源交易所发布公告，根据国家总体安排，全国碳排放权交易于7月16日正式开市。
什么是碳排放交易？假如碳排放的总量是限定的。那么在这个框架内，我们就可以通过技术升级来降低碳排放。每个国家都有相应的“指标”。
比如说今年全球限定排放100单位的碳排放量 ，A国获得15的指标， B国获得10的指标 其它国家获得其余75单位指标。如果A国只排放了10个单位的碳排放量，而B国刚好排了12个单位，那么B国就可以从A国购买2个单位的碳排量。
在中国，“碳中和”也成为2021年最重要的关键词之一。今年中国两会期间提出了“碳达峰、碳中和”概念，即2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
什么是碳中和？碳中和是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳排放总量，通过二氧化碳去除手段，如植树造林、节能减排、产业调整等，抵消掉这部分碳排放，达到“净零排放”的目的。
石化企业是高耗能、高污染、高排放企业。显然如果不采取节能减排的技术改造措施，将很难满足未来环保要求。在可见的未来，低碳、零碳以及负碳行业将迎来爆发机会！
显然，驱动生物塑料制造的源动力主要来自于外界的法规和环境保护，而不是真正的市场“内需”。政策法规对可生物降解和生物基塑料的要求越来越严格，这会推动生物塑料的增长，也会推动其背后技术的发展。
大麻塑料代替石化塑料
根据环境法中心的一份新报告估计，仅今年一年，塑料污染将向大气排放8.5亿吨二氧化碳。到2050年，它的排放量可以占到地球剩余碳预算的14%。随着我们对便利的需求增加，我们无法真正做到完全停止购买塑料制品，但是，大麻塑料的出现将改变这一切。
一些具有前瞻性思维的企业意识到大麻塑料的重要性。
乐高玩具帝国一直主要使用的材料是塑料树脂（丙烯腈丁二烯苯乙烯），每年使用超过6000吨不可降解的塑料来制作积木。
乐高项目经理拉兰.拉斯姆森（llan Rasmussen）表示，乐高需要找到一种和现在材料同样好的材料，而工业大麻的新材料应该能够形成与实际塑料积木没有区别的积木。我们希望在2030年的时候，乐高每年生产的600亿个积木块将被工业大麻塑料取代。
生物合成塑料赛道
2020年，全球的塑料产量约3.68亿吨，其中生物基塑料产能约1%，仅有211万吨。虽然这个数据不高，但生物塑料的产量也正在逐年稳步上升，据European Bioplastics e.V.生物塑料市场数据预测，到2025年全球生物塑料产量将达到287万吨。
合成生物学的出现加速了生物塑料的发展，通过生物合成技术人们可以定向设计一个能够持续产生塑料化合物的细胞工厂，这种设想已经在PHA（聚羟基脂肪酸酯）上得到了验证。一些公司通过菌株发酵优化，成功实现从细菌中生产PHA。
聚羟基脂肪酸酯(PHA)，是近20多年迅速发展起来的，是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。PHA同时具有良好的生物相容性能､生物可降解性和塑料的热加工性能，它可作为生物医用材料和生物可降解包装材料。
PHA的生产是一种低能耗和低二氧化碳排放的生产，因此从生产过程到产品对于环境保护都是很有利的，贴切符合“碳中和”的政策和市场要求。
在过去，PHA的价格还很难和石化塑料相竞争，而聚丙烯的价格低于1美元/kg，而一些便宜的生物可降解塑料的价格为3-6美元/Kg，较理想的PHB（第一代PHA）的生产成本为4美元/kg。
通过植物废料利用和菌种改良可将PHA的成本大大降低，PHA生产的植物废料利用将使经济作物的可再生资源使用大大地迈进，目前一些公司的PHA成本，已经接近现有石化塑料的成本价格。
植物最佳原料来源是工业大麻
工业大麻作为低碳经济作物，有望在实现碳中和目标中大显身手。整棵植株在综合应用方面是植物界的无冕之王。
工业大麻韧皮纤维可以替代棉花；
秆芯可以代替木材用来造纸；
工业大麻籽可以代替石油用来制造生物柴油；
工业大麻根可以生产生物燃料代替煤用来发电；
工业大麻与其它原材料混合可生产各种复合材料产品。
如今全球疯狂增长的大麻种植产业中，副产物最多的就是杆、茎、叶，这是最佳生物塑料的原料来源，相比常规的原料如玉米、马铃薯等，工业大麻原料不会损害全球食品供应。
1、工业大麻的低碳优势
工业大麻具有显著的低碳性，从种植到收获，每吨工业大麻排放的CO2仅为544kg，而棉花为1680kg，合成纤维生产CO2排放量比天然纤维高10~20倍。
同时，工业大麻也是一种优秀的“碳汇”植物。种植1公顷工业大麻在100天的生长周期内可以在纤维素碳中隔离储存约20吨的CO2，并在土壤中隔离贮存另外500kg的CO2，具有明显的固碳效应，是一种很好的低碳环保经济作物。
据测算，1公顷工业大麻在100天的生长期内CO2碳汇可达25吨，远高于棉花的11吨。种植1000万亩工业大麻，每年仅农业种植即可创造约0.16亿吨碳汇，按目前国际碳汇交易平均价350元/吨计算，创造约56亿的碳汇收入。
2、大麻塑料取代石化塑料的可行性
在最佳条件下，石油塑料制品需要450年到1000多年才能最终实现生物降解。这并不意味着它们安全归于尘土河海，这些塑料瓶会留下由有毒化学物质组成的污泥或残渣，持续影响着生态。
常规塑料含有内分泌干扰物，如BPA，会干扰人体内分泌系统（aka激素）。这种激素在体内的不平衡可以刺激肿瘤的发生。内分泌干扰物也可以渗入土壤和地下水，破坏自然环境和人类健康。而大麻生物塑料不含有害的内分泌干扰物，完全无毒。
而大麻生物可降解塑料通常在三到六个月内分解。所以如果它最终进入海洋，它可以被 鲸鱼、海豚等作为食物来源食用和消化。
3、大麻是否是最好的生物替代材料
关于可替代生物质的选择，大麻杆茎含有大约70%的纤维素，木材含有40%的纤维素，玉米含有47%，棉花则以高达90%的纤维素含量领先。然而，棉花的生长需要消耗比大麻多50%的水，而且全球一半以上的杀虫剂都打在了棉花地里面。
相比之下，大麻生长过程基本不需要人工灌溉和杀虫剂。这是一种超快速增长的可再生资源，它的固碳量是棉花的3倍，碳排放是棉花的1/3。
从整体环境保护而言，大麻生物塑料是代替石油基塑料最理想的选择。所以，工业大麻塑料、树脂和生物复合材料的应用前景是无限的。大麻塑料几乎可以制造任何形状和用途的产品，如家具、零件、玩具、包装等。
根据中科院天津工业生物技术研究所统计，生物制造产品和石化路线相比平均节能减排30%~50%，未来潜力将达到50%~70%。研究公司Grand View Research预测，2030年生物塑料将控制塑料市场至40%。
对于大麻基生物塑料所占市场份额，分析人员认为，未来大麻基生物塑料必将超过石油基塑料。
