生物能源是重要的可再生能源，也是地球上唯一的可再生碳資源。煤、石油等化石能源已經(jīng)支撐人類社會發(fā)展幾百年，終將枯竭。生物質能轉化在可持續(xù)能源供給、碳中和、非化石能源依賴的物質轉化工業(yè)中發(fā)揮獨特作用。然而，生物質與化石原料的化學組成差異較大，對生物轉化技術有較高的要求，但目前大多數(shù)技術尚不成熟，亟待突破。

合成生物學融匯生命科學、化學、物理學、信息科學、材料科學和工程科學，發(fā)展出從基因組合成到基因網(wǎng)絡編輯，從基因線路、底盤細胞到細胞工廠，從生物大分子工程到蛋白質從頭設計，從遺傳密碼子拓展到雜合生物系統(tǒng)等一系列使能技術和嶄新概念，賦予生物轉化技術強大的新生動力。

張先恩

深圳理工大學合成生物學院院長，講席教授

中國科學院生物物理研究所研究員

2024 年5 月

合成生物學是21 世紀初新興的生物學研究領域，是在闡明并模擬生物合成基本規(guī)律的基礎上，人工設計并構建新的、具有特定生理功能的生物系統(tǒng)，從而建立藥物、功能材料和能源替代品等生物制造新途徑。合成生物學研究在生物能源研發(fā)方面具有重要的應用價值和廣闊的發(fā)展空間，在生物質原料的生產(chǎn)與轉化、生物催化劑和細胞工廠的設計與構建等方面已得到廣泛應用，進而有助于解決生物能源的關鍵研發(fā)問題（Liu et al.，2021）。

01、原料供應

植物和藻類等光合生物通過光合作用固定二氧化碳合成生物質。生物質通過生物/化學催化與轉化生成可供微生物利用的糖原料，再進一步通過微生物細胞工廠的轉化生成生物燃料產(chǎn)品。自然界中還存在能夠直接利用一碳化合物（二氧化碳、一氧化碳、甲醇等）合成生物能源產(chǎn)品的微生物（Jiang et al.，2021）。通過合成生物學技術改造能源生物，可以顯著提高從二氧化碳到生物質、從生物質到糖，以及從糖到生物能源產(chǎn)品等各個環(huán)節(jié)的轉化效率。

▲ 生物能源產(chǎn)品合成路線

木質纖維素是自然界中最為豐富的生物質資源，由植物通過光合作用固定儲存于植物細胞壁，主要有機成分為纖維素、半纖維素和木質素。隨著合成生物學的不斷發(fā)展，適用于能源植物性狀改良的合成生物學工具與策略也得到廣泛應用。能源植物功能基因鑒定、合成生物學元件開發(fā)、遺傳轉化和篩選體系構建、基因組編輯技術都取得了長足進展。當前，纖維素和半纖維素的轉化利用技術相對成熟，而木質素因具有分子量大、結構復雜和交聯(lián)程度高等特點，較難利用。植物細胞壁多糖轉化效率與細胞壁中木質素的含量、組成等關系密切（Studer et al.，2011）。通過合成生物學策略調(diào)控木質素合成相關基因的表達，能夠有效地改變木質素的總量與組分，進而實現(xiàn)酶解糖化效率的提升。

木質纖維素的復雜結構和組成形成了天然拮抗降解作用的屏障（Himmel et al.，2007），木質纖維素的高效、低成本酶解糖化成為秸稈產(chǎn)業(yè)化應用的瓶頸問題（Demain et al.，2005）。目前，用于木質纖維素糖化的酶系主要有兩類：一是來源于真菌的游離酶體系，目前主流的木質纖維素生物轉化技術——同步糖化發(fā)酵（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）就是一種采用游離酶制劑的工藝；二是來源于厭氧梭菌的纖維小體體系，該體系包括整合生物加工（ consolidated bioprocessing ， CBP ） 技術和整合生物糖化（ consolidated bio-saccharification，CBS）技術（Zhang et al.，2017），均采用梭菌及其纖維小體作為生物催化劑實現(xiàn)木質纖維素的高效轉化。

目前，CBP 工藝的產(chǎn)品種類仍局限于以纖維素乙醇為主，還不具備市場競爭力。近年來，基于合成生物學策略對梭菌底盤及酶系開展了以產(chǎn)品為導向的定向改造，成功開拓了CBP 產(chǎn)品種類。對于CBS 技術來說，其核心在于創(chuàng)制更為高效的生物催化劑，實現(xiàn)木質纖維素到可發(fā)酵糖的快速轉化，而這很大程度上依賴于針對纖維小體復雜體系的合成生物學定向改良。

糖類物質是微藻細胞中重要的碳水化合物存在形式。微藻能夠利用太陽能固定二氧化碳，合成單糖（葡萄糖和果糖等）、二糖（蔗糖和海藻糖等）及多糖（糖原、β-葡聚糖等）（Song et al.，2016b；Qiao et al.，2020）。與高等植物相比，微藻生長速度快、體積小、生命周期短，因此更適合工業(yè)化、立體化的培養(yǎng)模式，這也意味著其具有更高的太陽能和土地資源利用效率。同時，微藻的遺傳操作便捷性也超過植物。隨著合成生物學技術的發(fā)展，可以更精準地進行天然代謝途徑的改造或異源代謝途徑的引入，實現(xiàn)對微藻胞內(nèi)碳流、能量流的重定向，促進各種糖類物質的高效合成。藍藻作為原核微藻，生長速度更快、細胞結構更加簡單，近年來其相應的合成生物技術體系的發(fā)展也更為成熟，無論是對藍藻光驅固碳產(chǎn)糖機制的認識、條件優(yōu)化還是人工設計改造，都取得了長足的發(fā)展。微藻光驅固碳產(chǎn)糖為生物煉制的糖原料供應提供了一條全新的技術路線。

02、原料—產(chǎn)品轉化

酵母可以利用不同來源的糖原料合成乙醇。釀酒酵母由于具有一般公認安全（generally recognized as safe，GRAS）、遺傳背景清晰、遺傳操作成熟及較好的環(huán)境脅迫耐受性等優(yōu)點，已成為重要的乙醇細胞工廠（Favaro et al.，2019）。由于無法直接分解淀粉，釀酒酵母乙醇生產(chǎn)通常需要采用先糖化后發(fā)酵的方式。以木質纖維素作為原料，釀酒酵母只能夠利用水解液中葡萄糖，無法利用木糖。而且，工業(yè)發(fā)酵過程中，釀酒酵母需要面對高溫、高滲透壓和高乙醇濃度等多種環(huán)境因素的脅迫。利用合成生物學方法，結合功能基因組的研究對釀酒酵母細胞工廠的功能進行優(yōu)化，可以提高目標代謝物的合成效率，擴展其代謝能力，保證細胞在工業(yè)生產(chǎn)的脅迫環(huán)境條件下具有較好的活性。

迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種酵母可以同時代謝五碳糖和六碳糖合成乙醇（Azhar et al.，2017），其中樹干畢赤酵母（Pichia stipitis）、熱帶假絲酵母（Candida tropicalis）、馬克斯克魯維酵母（Kluyveromyces marxianus）、布魯塞爾德克酵母（Dekkera bruxellensis）等酵母菌具有天然的木糖等五碳糖代謝能力，可以合成乙醇，但產(chǎn)量、得率均達不到乙醇工業(yè)生產(chǎn)要求。通過基因組重排和微生物混合培養(yǎng)，采用合成生物學策略引入外源元件/途徑、構建遺傳元件隨機突變文庫并進行篩選，顯著改善了非傳統(tǒng)酵母同時利用五碳糖和六碳糖生產(chǎn)乙醇的能力。

梭菌（Clostridium）能夠利用不同形式的糖原料發(fā)酵生產(chǎn)丁醇。雖然現(xiàn)有的產(chǎn)丁醇梭菌發(fā)酵技術在成本上與石油化工技術相比仍處于劣勢（主要原因包括原料價格高、丁醇產(chǎn)量低、產(chǎn)物的提取成本較高），但基于未來大力發(fā)展可再生能源產(chǎn)業(yè)的需求，生物法制備丁醇的技術路線依然受到廣泛關注。受益于近年來合成生物學的發(fā)展，一些新的理論、方法、技術已被應用于提升生物丁醇核心技術——產(chǎn)丁醇梭菌的遺傳改良，并取得顯著進展。

產(chǎn)丁醇梭菌作為一類代表性的厭氧細菌，受限于分子工具的匱乏和低效，其分子水平的基礎與應用研究一度進展緩慢。但近年來分子生物學技術的迅猛發(fā)展為產(chǎn)丁醇梭菌的合成生物學研究創(chuàng)造了有利條件，相關研究也進入了“快車道”。眾多遺傳操作工具（包括基因和堿基編輯工具）已經(jīng)被開發(fā)出來，這為梭菌丁醇代謝工程奠定了良好的基礎。丁醇合成途徑的增強及競爭途徑的弱化或者刪除，提升了丁醇的比例和產(chǎn)量；同時，一些經(jīng)過代謝工程改造的非典型梭菌被用于丁醇發(fā)酵，實現(xiàn)了丁醇與丙酮生產(chǎn)的解耦；另外，遺傳操作工具還為梭菌的丁醇耐受性、抗逆性能優(yōu)化以及底物利用優(yōu)化提供了便利，極大地提高了丁醇生產(chǎn)效率。

隨著合成生物學的發(fā)展，利用糖類原料的新型能源微生物底盤和新型生物能源產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。系統(tǒng)地研究模式底盤細胞，同時挖掘更多具有不同優(yōu)良特性的新型微生物底盤細胞，進而合理設計、優(yōu)化代謝途徑與底盤細胞，可以拓展生物能源產(chǎn)品，提高產(chǎn)品產(chǎn)量?；谙到y(tǒng)生物學可以加深對底盤細胞代謝網(wǎng)絡、調(diào)控機制等方面的理解，結合合成生物學“設計—構建—測試—學習（design-build-test-learn，DBTL）”策略，對能源微生物底盤細胞進行多維度的理性或半理性改造，構建高效的能源微生物細胞工廠，驅動從“造物致知”向“造物致用”發(fā)展，有望實現(xiàn)能源產(chǎn)品的多元化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展（Liu et al.，2021；Zhang et al.，2021）。

03、一碳資源利用

包括二氧化碳、一氧化碳、甲醇在內(nèi)的一碳化合物是生物制造行業(yè)的理想原料，因具有來源廣泛、制備容易、價格低廉的特點而受到廣泛關注。合成生物學的發(fā)展有力地促進了利用一碳化合物的微生物細胞工廠的構建（Jiang et al.，2021）。

合成氣是一種主要成分包含一氧化碳、二氧化碳和氫氣的混合氣體。其來源非常廣泛，包括化石燃料的不完全燃燒、植物生物質或生活廢物的氣化，以及煉鋼等工業(yè)生產(chǎn)活動。利用合成氣的梭菌（又稱食氣梭菌）是產(chǎn)乙酸細菌中的重要類群，尤其是永達爾梭菌（Clostridium ljungdahlii）、自產(chǎn)醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）等菌株是目前合成氣發(fā)酵中研究較多的。乙酸和乙醇是大部分食氣梭菌的主要發(fā)酵產(chǎn)物，另有一些食氣梭菌還可在含一碳氣體的生長條件下合成乳酸、丁醇、2,3-丁二醇等高值化合物，具有良好的工業(yè)應用前景。

天然的食氣梭菌吸收、固定和轉化一碳氣體速率較慢，能量代謝效率低。長久以來，基因組信息和遺傳學工具的缺乏，阻礙了食氣梭菌生產(chǎn)平臺的發(fā)展。近年來，隨著測序技術的進步及各種遺傳學工具的迅速發(fā)展，食氣梭菌的合成生物學平臺與技術也得到迅速發(fā)展。合成生物學元件的篩選和遺傳轉化方法的優(yōu)化為食氣梭菌代謝工程改造奠定了良好的基礎。同源重組、基因編輯和大片段基因簇染色體整合表達等新技術的應用為食氣梭菌代謝途徑優(yōu)化和高效細胞工廠的構建提供了重要的遺傳操作工具。

朗澤科技（Lanza Tech）與首鋼集團合作，采用先進的氣體生物發(fā)酵技術，將鋼鐵、冶金、煉化等行業(yè)的工業(yè)尾氣通過發(fā)酵技術直接轉化為燃料乙醇、天然氣和蛋白飼料等高附加值產(chǎn)品，同時將無機碳一步轉化為有機碳，實現(xiàn)碳固定及碳減排。北京首鋼朗澤新能源科技有限公司（簡稱“首鋼朗澤”）于2018 年在首鋼京唐公司建成投產(chǎn)了全球首套鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制燃料乙醇項目，每年可生產(chǎn)燃料乙醇約4.5 萬t、蛋白飼料約7650t，壓縮天然氣約330 萬m3。依托該工業(yè)化項目的成功示范，首鋼朗澤與位于寧夏、貴州的國內(nèi)多家鋼鐵、鐵合金、煉化等行業(yè)知名企業(yè)達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，開展工業(yè)尾氣發(fā)酵法制燃料乙醇的推廣應用。

微藻作為光合生物，可利用太陽能高效固定二氧化碳，轉化為生物燃料。微藻可分為原核微藻和真核微藻，目前僅有少數(shù)微藻實現(xiàn)了規(guī)?；B(yǎng)殖（Hamed，2016）。微藻培養(yǎng)過程中對光照的需求較高，難以實現(xiàn)高密度培養(yǎng)，這導致規(guī)模化培養(yǎng)過程中微藻的生物質產(chǎn)量偏低（Fasaei et al.，2018）。雖然基于缺氮誘導等培養(yǎng)優(yōu)化或者固碳關鍵酶過表達等基因工程操作可提高生物能源的產(chǎn)量，但是目前僅能在少數(shù)模式體系中實現(xiàn)特定產(chǎn)品的高效定向累積（Xin et al.，2017）。受微藻細胞壁生化組成等因素的影響，由微藻生物質轉化為能源產(chǎn)品的生物煉制工藝相對復雜、成本高昂（Ward et al.，2014）。

合成生物學的快速發(fā)展為微藻生物能源產(chǎn)業(yè)帶來了新的機遇。合成生物學研究的不同維度涉及多種顛覆性理論、技術和方法。聚焦微藻生物能源生產(chǎn)，這些顛覆性的成果在藻種選育、固碳和光合效率提升、全新固碳途徑構建、微藻混養(yǎng)模式開發(fā)、細胞工廠與培養(yǎng)工藝適配、能源產(chǎn)品提取和微藻綜合利用的協(xié)調(diào)性等領域已得到廣泛的應用（Luan and Lu，2018b）。

甲醇具有來源廣泛、易儲存運輸、價格相對低廉等優(yōu)勢，被視為極具潛力的生物制造原料。自然界中存在著一類甲基營養(yǎng)型微生物，天然可以利用甲醇等一碳化合物為底物進行生長及代謝，主要分為甲醇細菌和甲醇酵母兩類。天然甲基營養(yǎng)型微生物能夠高效利用甲醇進行細胞生長與產(chǎn)物合成，但其甲醇利用途徑存在碳損失與能量消耗等問題。與模式微生物相比，甲基營養(yǎng)型微生物遺傳操作工具匱乏，難以實現(xiàn)下游產(chǎn)物合成途徑的快速搭建和代謝途徑重構。因此，利用遺傳背景相對清晰的模式微生物，如大腸桿菌、谷氨酸棒桿菌及釀酒酵母等，通過重構甲醇代謝途徑，實現(xiàn)甲醇進入初級代謝并合成目標產(chǎn)物，是當前的研究熱點。然而，人工甲基營養(yǎng)型微生物普遍面臨異源甲醇代謝途徑與宿主內(nèi)源代謝途徑不匹配、甲醇利用效率低及菌株生長緩慢等問題（Wang et al.，2020）。

以天然甲基營養(yǎng)型微生物和模式微生物進行甲醇生物轉化是兩種不同的合成生物學研究策略，其中，天然甲基營養(yǎng)型微生物為人工甲醇利用微生物提供了上游甲醇同化途徑元件，而人工甲基營養(yǎng)型微生物為天然甲基營養(yǎng)型微生物提供了下游產(chǎn)物合成途徑元件及改造策略。近年來，隨著CRISPR/Cas 技術[成簇規(guī)律間隔短回文重復（clustered regularly interspaced short palindromic repeat，CRISPR）/CRISPR 相關蛋白（CRISPR-associated protein，Cas）]的不斷發(fā)展，在甲基營養(yǎng)型微生物，特別是甲醇酵母中開發(fā)了相對完善的基因編輯工具，極大地提高了其基因編輯效率。而實驗室適應性進化結合反向代謝工程則在促進甲醇利用與增加底物和產(chǎn)物耐受等方面發(fā)揮重要作用。

綜上所述，合成生物學在利用細胞工廠轉化不同來源的可再生原料生成各種生物能源產(chǎn)品的過程中發(fā)揮了重要作用。目前，從最簡單的、不含有碳原子的氫氣到含有不同碳原子數(shù)、結構和性能各異的生物燃料分子，都已經(jīng)實現(xiàn)了合成生物制造。合成生物學的快速發(fā)展將為生物能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供進一步的策略與技術支撐。

以合成生物學這一新興學科為基礎的合成生物技術是現(xiàn)代生物技術發(fā)展的集大成者，在新型生物質種質資源的創(chuàng)制、生物質資源的高效生物轉化，以及生物能源與材料化學品的開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用?！赌茉春铣缮飳W》一書系統(tǒng)總結了如何通過合成生物學技術改造能源生物，以顯著提高從二氧化碳到生物質、從生物質到糖，以及從糖到乙醇、丁醇、萜烯、脂肪烴等生物燃料產(chǎn)品和一碳資源直接轉化為生物燃料產(chǎn)品等各個環(huán)節(jié)的轉化效率，并對能源合成生物學未來的發(fā)展方向和機遇挑戰(zhàn)進行了展望。該書不僅展示了合成生物學與合成生物技術在能源領域重要的學科和技術支撐作用，同時我也相信它一定會成為相關領域的科研和工程技術人員及科技管理部門重要的參考用書。

劉中民

中國工程院院士

中國科學院大連化學物理研究所所長

2024 年2 月

本文摘編自《能源合成生物學》（呂雪峰主編.  北京 : 科學出版社 ; 濟南 : 山東科學技術出版社, 2024. 6）一書“第1 章 概 述”“序一”“序二”，有刪減修改，標題為編者所加。