孫小曼 在微觀世界“造物”

“多年前，我國高品質DHA完全依賴進口；如今，我們不僅實現了自給自足，還實現了出口。這就是科技創新的力量”

在"南京師范大學食品與制藥工程學院的實驗室里，中國青年科技工作者協會會員，合成生物學專業系主任、教授孫小曼正和學生們圍在操作臺旁，討論著微生物基因編輯的最新進展，神情專注而溫和。

十余年來，孫小曼深耕合成生物學領域，帶領團隊用基因“編寫”著微生物的“生產密碼”。她帶領團隊在Nature子刊發表突破性研究成果，開發出機器學習指導的工程菌株優化新策略；她指導學生團隊在國際基因工程機器大賽中蟬聯金獎，培養了一批又一批生物技術創新人才；她將科研成果轉化為生產力，推動Omega-"3多不飽和脂肪酸等健康產品實現國產化突破。一項項成果，印證著她在合成生物學領域的實力，也印證著她始終如一對生命科學的熱忱。

院士引領下的科研成長之路

孫小曼是江蘇宿遷人，高中時期，她最感興趣的科目就是生物，這也影響了她后續的專業選擇。循著自己的熱愛，2014年，她考入南京工業大學生物化工專業，有幸成為黃和教授團隊中的一員，開啟了她在微生物代謝工程領域的探索之旅。“當時，黃老師剛從美國普渡大學回國，帶回了國際前沿的合成生物學理念和技術方法。”孫小曼回憶道，“他敏銳地預見到微生物資源開發的前景，這為我們指明了研究方向”。

黃和教授是我國微生物代謝工程領域的開拓者之一，他提出的“代謝網絡全局性系統調控理論”和開發的“非模式工業微生物合成生物學精準高效改造方法”，為我國發酵產業高質量發展提供了核心保障。2023年，黃和當選為中國工程院院士。在這樣一位學術大家的指導下，孫小曼的科研視野和思維方式得到了質的飛躍。她跟隨導師采集特殊微生物樣本，參與建立了我國首個具有地域特色的特殊微生物資源庫，從源頭上解決發酵產業“卡脖子”問題。

攻讀碩士、博士學位期間，孫小曼跟隨黃和教授一直從事合成生物學大方向的研究。她介紹，合成生物學就像給微生物“改代碼”，通過編輯生物體的基因，讓它們按人類的需求生產各種有用的東西。“比如嬰幼兒奶粉里常添加的有益脂肪酸DHA，以前需要從深海魚里提取，又貴又受海洋資源限制。但通過微生物選育技術，咱們可以讓一種名叫裂殖壺菌的微生物自己‘生產’出DHA來，不用再依賴植物、動物提取，又高效又環保。”孫小曼又舉例，最近很火的“空氣饅頭”也是如此，以前淀粉需要從玉米、小麥中獲取，現在用合成生物學技術，微生物通過“吃”進空氣中的二氧化碳，就造出淀粉，這就是合成生物學的魔力。

“黃老師最讓我敬佩的，是他始終將國家需求放在首位的研究導向。”孫小曼介紹，當時我國高品質的DHA產品長期依賴進口，價格昂貴且供應不穩定。黃和教授帶領團隊率先開展了新藻種DHA油脂制備和產業化研究，最終攻克了微生物制造DHA油脂的關鍵技術難題。作為團隊核心成員，孫小曼全程參與了這一重大科研攻關。“關鍵核心技術，我們買不來、等不來、靠不來。”導師的這句話成為她科研路上的座右銘。

碩博連讀期間，孫小曼聚焦微生物功能性油脂的相關研究。菌種是微生物制造功能性油脂的源頭及核心。孫小曼跟隨團隊長期致力于菌種的挖掘與應用，在多年的技術攻關，篩選獲得了一株性能良好，且具有自主知識產權的高產油菌株一一裂殖壺菌。這種菌株是非常具有潛力的油脂生產宿主。克服了該菌株在生產過程中存在的一系列挑戰后，孫小曼成功構建了裂殖壺菌功能性油脂的生產平臺，推動了多種產品的產業化。

“黃老師不僅是學術導師，更是人生導師。”孫小曼感慨道。在她面臨職業選擇的關鍵時刻，黃和院士鼓勵她走上教學科研崗位：“高校教師既能探索科學前沿，又能培養未來人才，是更有長遠價值的選擇。”2018年博士畢業后，孫小曼跟隨黃和院士團隊加入南京師范大學食品與制藥工程學院，開始了她“雙肩挑”的學術生涯一一一邊延續微生物代謝工程研究，一邊投身合成生物學人才培養。

從實驗室到產業的創新跨越

來到南京師范大學后，孫小曼延續了在黃和院士團隊的研究方向，并逐漸形成了自己的特色。她帶領年輕團隊聚焦“微生物細胞工廠”的構建與優化，在合成生物學工具開發、代謝途徑理性設計、工業菌株高效創制等方面取得了一系列原創性成果。

2021年，孫小曼作為第一作者與黃和教授共同在細胞出版社子刊Trends"in Biotechnology上發表前瞻性論文Thraustochytrid"Cell Factories for Producing LipidCompounds，全面闡述了裂殖壺菌在Omega-"3多不飽和脂肪酸和萜類化合物生產中的應用前景。這篇綜述性文章成為該領域的經典文獻，被廣泛引用。

科研的價值在于應用，孫小曼團隊的研究始終瞄準產業需求和民生關切。在成功實現DHA工業化生產的基礎上，她將目光投向了更廣泛的Omega-"3多不飽和脂肪酸家族一一EPA和DHA都是對人體健康至關重要的營養素，但從深海魚類獲取的傳統方式面臨資源枯竭、污染積累等問題。

2022年，孫小曼作為指導老師之一，帶領南京師范大學“NNU-"China”本科生團隊參加國際基因工程機器大賽（iGEM），以“Omega-"3 eggs—Start your brain and body building journey”為課題，利用合成生物學技術構建出高產EPA/DHA的工程解脂耶氏酵母菌株，并將其應用于蛋雞飼料，成功開發出富含EPA/DHA的功能性雞蛋。該項目從全球300支隊伍中脫穎而出，斬獲金獎，展現了團隊基礎研究向實際應用的轉化潛力。

“從實驗室菌株到最終產品，每一步都充滿挑戰。”孫小曼回憶道。在酵母菌株構建階段，團隊需要精確調控多個外源基因的表達水平；在動物試驗階段，則需確保工程菌株的安全性和穩定性；最終的產品開發還需要考慮成本、口感、市場接受度等多重因素。“感謝學校的大力支持和黃和院士的親自指導，我們才能攻克一個個技術難關。”孫小曼說。

2024年6月，孫小曼與黃和院士團隊在NatureChemical"Biology上發表題為Optimizing"multicoopychromicosomal integration for stable high performingstrains的研究論文，開發了一種基于機器學習的染色體多拷貝整合策略，為構建高性能工程菌株提供了全新方法。這項研究解決了合成生物學領域長期存在的難題——如何穩定高效地調控代謝途徑中多個基因的拷貝數組合。

“傳統方法需要反復試錯，耗時耗力且效果有限。”孫小曼解釋，“我們開發的TIMS方法，結合非重復序列編碼計算器（MNCC）和機器學習算法，能夠快速預測和優化基因拷貝數組合”。

這項研究的意義不僅在于技術突破本身，更在于它展示了人工智能與合成生物學交叉融合的巨大潛力。該成果發表后受到學術界和產業界廣泛關注，為工業微生物的精準改造提供了新思路。“未來，我們將進一步開發智能化菌株設計平臺，讓機器學習在更廣泛的生物制造場景中發揮作用。”孫小曼表示。

近五年來，孫小曼科研成果累累。她以第一作者或通訊作者在NatureChemical"Biology和NatureCommunications等頂級期刊發表SCI論文50余篇；申請中國發明專利40余項，授權中國專利20余項，獲第二十五屆中國專利優秀獎。面向世界科技前沿和國家重大戰略需求，她積極履行高水平科技自立自強的使命擔當，主持國家自然科學基金委優秀青年基金項目、國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金委面上項目等多個項目，充分展現了她矢志科研創新、建設科技強國的奮斗精神。

在課堂與實驗室托舉青年人才

作為南京師范大學合成生物學專業系主任，孫小曼在教學工作中傾注了大量心血。她認為，高校教師的最大成就不在于自己發表了多少頂刊論文，而在于培養了多少優秀人才。“合成生物學是交叉性極強的領域，需要既懂生物學又精通工程學思維的復合型人才，我們的培養模式必須創新。”

孫小曼為本科生主講《分子生物學》、《分子生物學實驗》等核心課程。她摒棄傳統教學方式，采用“項目驅動+問題導向”的教學方法。每學期伊始，她會將學生分成若干小組，每個小組選擇一個實際科研問題作為學期項目，在理論學習的同時開展實踐探索。

“合成生物學是‘做中學’的學科，只有親手設計、構建、測試，才能真正理解其中的原理和挑戰。”孫小曼的課堂上經常出現這樣的場景：學生們圍坐在一起激烈討論基因線路設計方案，或者聚精會神地觀察顯微鏡下的菌株，又或者為實驗數據與預期不符而苦惱思索。“失敗是常態，但每次失敗都是學習的機會。”她總是這樣鼓勵學生。

國際基因工程機器大賽是合成生物學領域最高水平的國際性學術競賽，孫小曼自2021年起開始指導南師大參賽團隊，團隊首次參賽便斬獲金獎；2022年，在孫小曼等老師指導下，“NNU-"China”團隊再次以“Omega-nbsp;3雞蛋”項目奪得金牌。

“參賽的十個月是痛并快樂著的旅程。”孫小曼回憶道。從頭腦風暴確定課題，到實驗設計、數據采集，再到數學建模、網頁搭建和視頻制作，17名本科生組成的團隊需要完成一整套科學研究流程。作為指導老師，孫小曼既要把握大方向，又要給予學生充分的自主空間。她告訴學生：“這是你們的項目，你們是主角，我只是提供建議和支持。”

備賽期間，團隊遇到了工程菌株產量不穩定的難題。孫小曼沒有直接給出解決方案，而是引導學生們查閱文獻、分析可能原因，最終通過優化發酵條件和啟動子強度，成功解決了問題。“孫老師教會我們的不僅是技術，更是科學思維方式和解決問題的能力。”一位參賽學生表示。

除了實驗室工作，孫小曼還鼓勵團隊開展科普活動。2022年暑假，“NNU-"China”團隊深入科研院所、高校、企業、中小學和社區，向不同人群宣傳合成生物學和食品健康知識。“科學研究最終要服務社會，科學家有責任讓公眾了解科技發展的最新動態。”孫小曼說。

作為系主任，孫小曼推動構建了“導師-"研究生-"本科生”三級聯動的創新人才培養體系。在這一體系下，每位教授指導若干研究生，每位研究生又帶領2至3名本科生組成研究小組，形成緊密的學術傳承鏈條。“研究生在指導本科生的過程中鞏固了專業知識，培養了領導力；本科生則能提早接觸科研，激發創新潛能。”孫小曼解釋。這一模式取得了顯著成效，她指導的多名本科生在畢業時已具備獨立開展科研項目的能力，有的甚至以第一作者發表了SCI論文。

學生張子旭正是孫小曼科研道路上的第一位“同行者”，二人在合成生物學這一當時方興未艾的前沿領域共同探索。多年的并肩學習與實驗不僅培養了彼此默契的合作基礎，也為張子旭后續的科研之路奠定了堅實根基。張子旭本科畢業后，作為南京師范大學研究生支教團成員遠赴貴州支教一年，師生間的科研步伐依然緊密相連——孫小曼以耐心細致的指導、嚴謹高效的治學態度，帶領他反復打磨課題、深入文獻調研，最終促成兩篇SCI論文的發表，讓這位年輕研究生在科研方法、思維與實踐上都得到了系統而深刻的鍛煉。

支教歸來后，張子旭在導師更為精準的引領下，迅速拓展研究領域，從微生物基因組編輯、重組蛋白表達，到高價值脂質化合物的合成與代謝工程改造，均取得了豐碩成果——先后發表8篇SCI第一作者論文，獲授權國家發明專利2項。面對人工智能的迅猛發展，孫小曼又敏銳地洞察到AI+合成生物學的巨大潛力，主動引導張子旭投身這一國家重點扶持的戰略方向，并為其提供充分資源與支持。在這一段科研旅程中，師生不僅是知識與經驗的傳遞者與受益者，更是彼此激勵、共同成長的科研伙伴與創新開拓者。

“看到學生們成長成才，是我最大的快樂和成就。”孫小曼說。在她看來，教師不僅是知識的傳授者，更是學生人生的引路人。“我希望培養出的不僅是技術專家，更是有家國情懷、有責任擔當的新時代科技人才。”在她的悉心指導下，多名學生獲得國家獎學金，2名學生獲江蘇省美德獎學金等獎項。

探索合成生物學的更多可能

站在合成生物學蓬勃發展的時代潮頭，孫小曼對個人和領域的未來都有著清晰的規劃。她將目光投向國家重大需求和人民健康福祉，立志在科技強國的征程中貢獻更大力量。

未來五年，孫小曼團隊將繼續深耕微生物細胞工廠的智能化設計與構建。“我們的目標是開發更加高效、穩定、可控的生產系統，實現從簡單分子到復雜天然產物的全譜系生物制造。”她介紹，團隊正在開展以下幾方面工作：擴展產物范圍，從目前的Omega-"3脂肪酸、萜類化合物延伸到更多高附加值化學品，如植物激素、香料、藥物中間體等；提升生產效率，通過人工智能輔助的代謝網絡優化，進一步提高目標產物的產量和純度；增強系統魯棒性，使工程菌株能夠適應工業化生產的復雜環境。

“微生物的潛力遠超我們目前的認知和利用水平。”孫小曼表示，隨著合成生物學工具的不斷進步，未來可能實現“一個菌株生產百種產品”的愿景，這將徹底改變傳統化學生產模式。

孫小曼特別關注功能性食品和營養健康領域的研究。隨著人民生活水平提高，對健康食品的需求日益增長，這為研究提供了廣闊空間。她介紹，團隊正在開發新一代功能性油脂產品，包括高純度EPA/DHA、結構脂質、微量營養素強化油脂等。

2025年，團隊計劃與醫療機構合作，開展Omega-"3脂肪酸在特定人群，如孕婦、老年人中的健康效應研究，為精準營養干預提供科學依據。“科研成果最終要惠及百姓健康，這是我們的初心和使命。”孫小曼說。

作為合成生物學專業系主任，孫小曼正積極推動南京師范大學合成生物學學科的高質量發展。2023年，南京師范大學成立了長三角地區首個合成生物學專業，黃和院士擔任學科帶頭人。孫小曼作為系主任，負責制定培養方案、建設課程體系、組建師資隊伍等工作。

“我們將進一步加強與產業界的合作，開設更多實踐性課程，培養既懂科研又了解產業需求的復合型人才。”孫小曼介紹，未來計劃與企業共建實習基地，讓學生在學習早期接觸實際生產問題。她還將推動開展更多國際聯合培養項目，提升學生的全球競爭力。

在采訪的最后，孫小曼談到了青年科學家的時代責任。“當前，國際科技競爭日趨激烈，作為青年科研工作者，我們必須堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，勇攀科技高峰，實現高水平科技自立自強。”她以自己研究的Omega-"3脂肪酸為例：“多年前，我國高品質DHA完全依賴進口；如今，我們不僅實現了自給自足，還實現了出口。這就是科技創新的力量。”孫小曼希望更多年輕人投身合成生物學這一充滿希望的領域，共同書寫中國生物經濟的未來篇章。

從黃和院士的得意門生到獨當一面的青年科學家，從實驗室研究員到教書育人的大學教授，孫小曼用十余年的堅持與奮斗，詮釋了新時代青年科技工作者的使命與擔當。她的經歷，印證了中國科技薪火相傳的力量，也展現了合成生物學這一戰略性新興產業的無限可能。

正如孫小曼在一次學術報告中所說：“微生物雖小，卻能成就大事業；實驗室雖靜，卻可孕育大變革。在科技強國的征程上，我們每個人都是追夢人，也都是圓夢者。”這或許正是她科研人生的最好注解。

責任編輯"王碧清