作者|《中华儿女》记者赵汉琪
编辑|王碧清
在南京师范大学食品与制药工程学院的实验室里，中国青年科技工作者协会会员，合成生物学专业系主任、教授孙小曼正和学生们围在操作台旁，讨论着微生物基因编辑的最新进展，神情专注而温和。
孙小曼（中）和学生十余年来，孙小曼深耕合成生物学领域，带领团队用基因“编写”着微生物的“生产密码”。她带领团队在Nature子刊发表突破性研究成果，开发出机器学习指导的工程菌株优化新策略；她指导学生团队在国际基因工程机器大赛中蝉联金奖，培养了一批又一批生物技术创新人才；她将科研成果转化为生产力，推动Omega-3多不饱和脂肪酸等健康产品实现国产化突破。一项项成果，印证着她在合成生物学领域的实力，也印证着她始终如一对生命科学的热忱。
院士引领下的科研成长之路
孙小曼是江苏宿迁人，高中时期，她最感兴趣的科目就是生物，这也影响了她后续的专业选择。循着自己的热爱，2014年，她考入南京工业大学生物化工专业，有幸成为黄和教授团队中的一员，开启了她在微生物代谢工程领域的探索之旅。“当时，黄老师刚从美国普渡大学回国，带回了国际前沿的合成生物学理念和技术方法。”孙小曼回忆道，“他敏锐地预见到微生物资源开发的前景，这为我们指明了研究方向”。
黄和教授是我国微生物代谢工程领域的开拓者之一，他提出的“代谢网络全局性系统调控理论”和开发的“非模式工业微生物合成生物学精准高效改造方法”，为我国发酵产业高质量发展提供了核心保障。2023年，黄和当选为中国工程院院士。在这样一位学术大家的指导下，孙小曼的科研视野和思维方式得到了质的飞跃。她跟随导师采集特殊微生物样本，参与建立了我国首个具有地域特色的特殊微生物资源库，从源头上解决发酵产业“卡脖子”问题。
攻读硕士、博士学位期间，孙小曼跟随黄和教授一直从事合成生物学大方向的研究。她介绍，合成生物学就像给微生物“改代码”，通过编辑生物体的基因，让它们按人类的需求生产各种有用的东西。“比如婴幼儿奶粉里常添加的有益脂肪酸DHA，以前需要从深海鱼里提取，又贵又受海洋资源限制。但通过微生物选育技术，咱们可以让一种名叫裂殖壶菌的微生物自己‘生产’出DHA来，不用再依赖植物、动物提取，又高效又环保。”孙小曼又举例，最近很火的“空气馒头”也是如此，以前淀粉需要从玉米、小麦中获取，现在用合成生物学技术，微生物通过“吃”进空气中的二氧化碳，就造出淀粉，这就是合成生物学的魔力。
“黄老师最让我敬佩的，是他始终将国家需求放在首位的研究导向。”孙小曼介绍，当时我国高品质的DHA产品长期依赖进口，价格昂贵且供应不稳定。黄和教授带领团队率先开展了新藻种DHA油脂制备和产业化研究，最终攻克了微生物制造DHA油脂的关键技术难题。作为团队核心成员，孙小曼全程参与了这一重大科研攻关。“关键核心技术，我们买不来、等不来、靠不来。”导师的这句话成为她科研路上的座右铭。
硕博连读期间，孙小曼聚焦微生物功能性油脂的相关研究。菌种是微生物制造功能性油脂的源头及核心。孙小曼跟随团队长期致力于菌种的挖掘与应用，在多年的技术攻关下，筛选获得了一株性能良好，且具有自主知识产权的高产油菌株——裂殖壶菌。这种菌株是非常具有潜力的油脂生产宿主。克服了该菌株在生产过程中存在的一系列挑战后，孙小曼成功构建了裂殖壶菌功能性油脂的生产平台，推动了多种产品的产业化。
“黄老师不仅是学术导师，更是人生导师。”孙小曼感慨道。在她面临职业选择的关键时刻，黄和院士鼓励她走上教学科研岗位：“高校教师既能探索科学前沿，又能培养未来人才，是更有长远价值的选择。”2018年博士毕业后，孙小曼跟随黄和院士团队加入南京师范大学食品与制药工程学院，开始了她“双肩挑”的学术生涯——一边延续微生物代谢工程研究，一边投身合成生物学人才培养。
从实验室到产业的创新跨越
来到南京师范大学后，孙小曼延续了在黄和院士团队的研究方向，并逐渐形成了自己的特色。她带领年轻团队聚焦“微生物细胞工厂”的构建与优化，在合成生物学工具开发、代谢途径理性设计、工业菌株高效创制等方面取得了一系列原创性成果。
2021年，孙小曼作为第一作者与黄和教授共同在细胞出版社子刊TrendsinBiotechnology上发表前瞻性论文ThraustochytridCellFactoriesforProducingLipidCompounds，全面阐述了裂殖壶菌在Omega-3多不饱和脂肪酸和萜类化合物生产中的应用前景。这篇综述性文章成为该领域的经典文献，被广泛引用。
科研的价值在于应用，孙小曼团队的研究始终瞄准产业需求和民生关切。在成功实现DHA工业化生产的基础上，她将目光投向了更广泛的Omega-3多不饱和脂肪酸家族——EPA和DHA都是对人体健康至关重要的营养素，但从深海鱼类获取的传统方式面临资源枯竭、污染积累等问题。
2022年，孙小曼作为指导老师之一，带领南京师范大学“NNU-China”本科生团队参加国际基因工程机器大赛（iGEM），以“Omega-3eggs—Startyourbrainandbodybuildingjourney”为课题，利用合成生物学技术构建出高产EPA/DHA的工程解脂耶氏酵母菌株，并将其应用于蛋鸡饲料，成功开发出富含EPA/DHA的功能性鸡蛋。该项目从全球300支队伍中脱颖而出，斩获金奖，展现了团队基础研究向实际应用的转化潜力。
“从实验室菌株到最终产品，每一步都充满挑战。”孙小曼回忆道。在酵母菌株构建阶段，团队需要精确调控多个外源基因的表达水平；在动物试验阶段，则需确保工程菌株的安全性和稳定性；最终的产品开发还需要考虑成本、口感、市场接受度等多重因素。“感谢学校的大力支持和黄和院士的亲自指导，我们才能攻克一个个技术难关。”孙小曼说。
2024年6月，孙小曼与黄和院士团队在NatureChemicalBiology上发表题为Optimizingmulticopychromosomalintegrationforstablehighperformingstrains的研究论文，开发了一种基于机器学习的染色体多拷贝整合策略，为构建高性能工程菌株提供了全新方法。这项研究解决了合成生物学领域长期存在的难题——如何稳定高效地调控代谢途径中多个基因的拷贝数组合。
“传统方法需要反复试错，耗时耗力且效果有限。”孙小曼解释，“我们开发的TIMS方法，结合非重复序列编码计算器（MNCC）和机器学习算法，能够快速预测和优化基因拷贝数组合”。
这项研究的意义不仅在于技术突破本身，更在于它展示了人工智能与合成生物学交叉融合的巨大潜力。该成果发表后受到学术界和产业界广泛关注，为工业微生物的精准改造提供了新思路。“未来，我们将进一步开发智能化菌株设计平台，让机器学习在更广泛的生物制造场景中发挥作用。”孙小曼表示。
近五年来，孙小曼科研成果累累。她以第一作者或通讯作者在NatureChemicalBiology和NatureCommunications等顶级期刊发表SCI论文50余篇；申请中国发明专利40余项，授权中国专利20余项，获第二十五届中国专利优秀奖。面向世界科技前沿和国家重大战略需求，她积极履行高水平科技自立自强的使命担当，主持国家自然科学基金委优秀青年基金项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委面上项目等多个项目，充分展现了她矢志科研创新、建设科技强国的奋斗精神。
在课堂与实验室托举青年人才
作为南京师范大学合成生物学专业系主任，孙小曼在教学工作中倾注了大量心血。她认为，高校教师的最大成就不在于自己发表了多少顶刊论文，而在于培养了多少优秀人才。“合成生物学是交叉性极强的领域，需要既懂生物学又精通工程学思维的复合型人才，我们的培养模式必须创新。”
孙小曼（前排中）与学生孙小曼为本科生主讲《分子生物学》、《分子生物学实验》等核心课程。她摒弃传统教学方式，采用“项目驱动+问题导向”的教学方法。每学期伊始，她会将学生分成若干小组，每个小组选择一个实际科研问题作为学期项目，在理论学习的同时开展实践探索。
“合成生物学是‘做中学’的学科，只有亲手设计、构建、测试，才能真正理解其中的原理和挑战。”孙小曼的课堂上经常出现这样的场景：学生们围坐在一起激烈讨论基因线路设计方案，或者聚精会神地观察显微镜下的菌株，又或者为实验数据与预期不符而苦恼思索。“失败是常态，但每次失败都是学习的机会。”她总是这样鼓励学生。
国际基因工程机器大赛是合成生物学领域最高水平的国际性学术竞赛，孙小曼自2021年起开始指导南师大参赛团队，团队首次参赛便斩获金奖；2022年，在孙小曼等老师指导下，“NNU-China”团队再次以“Omega-3鸡蛋”项目夺得金牌。
“参赛的十个月是痛并快乐着的旅程。”孙小曼回忆道。从头脑风暴确定课题，到实验设计、数据采集，再到数学建模、网页搭建和视频制作，17名本科生组成的团队需要完成一整套科学研究流程。作为指导老师，孙小曼既要把握大方向，又要给予学生充分的自主空间。她告诉学生：“这是你们的项目，你们是主角，我只是提供建议和支持。”
备赛期间，团队遇到了工程菌株产量不稳定的难题。孙小曼没有直接给出解决方案，而是引导学生们查阅文献、分析可能原因，最终通过优化发酵条件和启动子强度，成功解决了问题。“孙老师教会我们的不仅是技术，更是科学思维方式和解决问题的能力。”一位参赛学生表示。
除了实验室工作，孙小曼还鼓励团队开展科普活动。2022年暑假，“NNU-China”团队深入科研院所、高校、企业、中小学和社区，向不同人群宣传合成生物学和食品健康知识。“科学研究最终要服务社会，科学家有责任让公众了解科技发展的最新动态。”孙小曼说。
作为系主任，孙小曼推动构建了“导师－研究生－本科生”三级联动的创新人才培养体系。在这一体系下，每位教授指导若干研究生，每位研究生又带领2至3名本科生组成研究小组，形成紧密的学术传承链条。“研究生在指导本科生的过程中巩固了专业知识，培养了领导力；本科生则能提早接触科研，激发创新潜能。”孙小曼解释。这一模式取得了显著成效，她指导的多名本科生在毕业时已具备独立开展科研项目的能力，有的甚至以第一作者发表了SCI论文。
学生张子旭正是孙小曼科研道路上的第一位“同行者”，二人在合成生物学这一当时方兴未艾的前沿领域共同探索。多年的并肩学习与实验不仅培养了彼此默契的合作基础，也为张子旭后续的科研之路奠定了坚实根基。张子旭本科毕业后，作为南京师范大学研究生支教团成员远赴贵州支教一年，师生间的科研步伐依然紧密相连——孙小曼以耐心细致的指导、严谨高效的治学态度，带领他反复打磨课题、深入文献调研，最终促成两篇SCI论文的发表，让这位年轻研究生在科研方法、思维与实践上都得到了系统而深刻的锻炼。
支教归来后，张子旭在导师更为精准的引领下，迅速拓展研究领域，从微生物基因组编辑、重组蛋白表达，到高价值脂质化合物的合成与代谢工程改造，均取得了丰硕成果——先后发表8篇SCI第一作者论文，获授权国家发明专利2项。面对人工智能的迅猛发展，孙小曼又敏锐地洞察到AI+合成生物学的巨大潜力，主动引导张子旭投身这一国家重点扶持的战略方向，并为其提供充分资源与支持。在这一段科研旅程中，师生不仅是知识与经验的传递者与受益者，更是彼此激励、共同成长的科研伙伴与创新开拓者。
“看到学生们成长成才，是我最大的快乐和成就。”孙小曼说。在她看来，教师不仅是知识的传授者，更是学生人生的引路人。“我希望培养出的不仅是技术专家，更是有家国情怀、有责任担当的新时代科技人才。”在她的悉心指导下，多名学生获得国家奖学金，2名学生获江苏省美德奖学金等奖项。
探索合成生物学的更多可能
站在合成生物学蓬勃发展的时代潮头，孙小曼对个人和领域的未来都有着清晰的规划。她将目光投向国家重大需求和人民健康福祉，立志在科技强国的征程中贡献更大力量。
未来五年，孙小曼团队将继续深耕微生物细胞工厂的智能化设计与构建。“我们的目标是开发更加高效、稳定、可控的生产系统，实现从简单分子到复杂天然产物的全谱系生物制造。”她介绍，团队正在开展以下几方面工作：扩展产物范围，从目前的Omega-3脂肪酸、萜类化合物延伸到更多高附加值化学品，如植物激素、香料、药物中间体等；提升生产效率，通过人工智能辅助的代谢网络优化，进一步提高目标产物的产量和纯度；增强系统鲁棒性，使工程菌株能够适应工业化生产的复杂环境。
“微生物的潜力远超我们目前的认知和利用水平。”孙小曼表示，随着合成生物学工具的不断进步，未来可能实现“一个菌株生产百种产品”的愿景，这将彻底改变传统化学生产模式。
孙小曼特别关注功能性食品和营养健康领域的研究。随着人民生活水平提高，对健康食品的需求日益增长，这为研究提供了广阔空间。她介绍，团队正在开发新一代功能性油脂产品，包括高纯度EPA/DHA、结构脂质、微量营养素强化油脂等。
2025年，团队计划与医疗机构合作，开展Omega-3脂肪酸在特定人群，如孕妇、老年人中的健康效应研究，为精准营养干预提供科学依据。“科研成果最终要惠及百姓健康，这是我们的初心和使命。”孙小曼说。
作为合成生物学专业系主任，孙小曼正积极推动南京师范大学合成生物学学科的高质量发展。2023年，南京师范大学成立了长三角地区首个合成生物学专业，黄和院士担任学科带头人。孙小曼作为系主任，负责制定培养方案、建设课程体系、组建师资队伍等工作。
“我们将进一步加强与产业界的合作，开设更多实践性课程，培养既懂科研又了解产业需求的复合型人才。”孙小曼介绍，未来计划与企业共建实习基地，让学生在学习早期接触实际生产问题。她还将推动开展更多国际联合培养项目，提升学生的全球竞争力。
在采访的最后，孙小曼谈到了青年科学家的时代责任。“当前，国际科技竞争日趋激烈，作为青年科研工作者，我们必须‘坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康’，勇攀科技高峰，实现高水平科技自立自强。”她以自己研究的Omega-3脂肪酸为例：“多年前，我国高品质DHA完全依赖进口；如今，我们不仅实现了自给自足，还实现了出口。这就是科技创新的力量。”孙小曼希望更多年轻人投身合成生物学这一充满希望的领域，共同书写中国生物经济的未来篇章。
从黄和院士的得意门生到独当一面的青年科学家，从实验室研究员到教书育人的大学教授，孙小曼用十余年的坚持与奋斗，诠释了新时代青年科技工作者的使命与担当。她的经历，印证了中国科技薪火相传的力量，也展现了合成生物学这一战略性新兴产业的无限可能。
正如孙小曼在一次学术报告中所说：“微生物虽小，却能成就大事业；实验室虽静，却可孕育大变革。在科技强国的征程上，我们每个人都是追梦人，也都是圆梦者。”这或许正是她科研人生的最好注解。
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