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资源。煤、石油等化石能源已经支撑人类社会发展几百年，终将枯竭。生物质能转化在可持续能源供给、碳中和、非化石能源依赖的物质转化工业中发挥独特作用。然而，生物质与化石原料的化学组成差异较大，对生物转化技术有较高的要求，但目前大多数技术尚不成熟，亟待突破。
合成生物学融汇生命科学、化学、物理学、信息科学、材料科学和工程科学，发展出从基因组合成到基因网络编辑，从基因线路、底盘细胞到细胞工厂，从生物大分子工程到蛋白质从头设计，从遗传密码子拓展到杂合生物系统等一系列使能技术和崭新概念，赋予生物转化技术强大的新生动力。
张先恩
深圳理工大学合成生物学院院长，讲席教授
中国科学院生物物理研究所研究员
2024 年5 月
合成生物学是21 世纪初新兴的生物学研究领域，是在阐明并模拟生物合成基本规律的基础上，人工设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统，从而建立药物、功能材料和能源替代品等生物制造新途径。合成生物学研究在生物能源研发方面具有重要的应用价值和广阔的发展空间，在生物质原料的生产与转化、生物催化剂和细胞工厂的设计与构建等方面已得到广泛应用，进而有助于解决生物能源的关键研发问题（Liu et al.，2021）。
01、原料供应
植物和藻类等光合生物通过光合作用固定二氧化碳合成生物质。生物质通过生物/化学催化与转化生成可供微生物利用的糖原料，再进一步通过微生物细胞工厂的转化生成生物燃料产品。自然界中还存在能够直接利用一碳化合物（二氧化碳、一氧化碳、甲醇等）合成生物能源产品的微生物（Jiang et al.，2021）。通过合成生物学技术改造能源生物，可以显著提高从二氧化碳到生物质、从生物质到糖，以及从糖到生物能源产品等各个环节的转化效率。
▲ 生物能源产品合成路线
木质纤维素是自然界中最为丰富的生物质资源，由植物通过光合作用固定储存于植物细胞壁，主要有机成分为纤维素、半纤维素和木质素。随着合成生物学的不断发展，适用于能源植物性状改良的合成生物学工具与策略也得到广泛应用。能源植物功能基因鉴定、合成生物学元件开发、遗传转化和筛选体系构建、基因组编辑技术都取得了长足进展。当前，纤维素和半纤维素的转化利用技术相对成熟，而木质素因具有分子量大、结构复杂和交联程度高等特点，较难利用。植物细胞壁多糖转化效率与细胞壁中木质素的含量、组成等关系密切（Studer et al.，2011）。通过合成生物学策略调控木质素合成相关基因的表达，能够有效地改变木质素的总量与组分，进而实现酶解糖化效率的提升。
木质纤维素的复杂结构和组成形成了天然拮抗降解作用的屏障（Himmel et al.，2007），木质纤维素的高效、低成本酶解糖化成为秸秆产业化应用的瓶颈问题（Demain et al.，2005）。目前，用于木质纤维素糖化的酶系主要有两类：一是来源于真菌的游离酶体系，目前主流的木质纤维素生物转化技术——同步糖化发酵（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）就是一种采用游离酶制剂的工艺；二是来源于厌氧梭菌的纤维小体体系，该体系包括整合生物加工（ consolidated bioprocessing ， CBP ） 技术和整合生物糖化（ consolidated bio-saccharification，CBS）技术（Zhang et al.，2017），均采用梭菌及其纤维小体作为生物催化剂实现木质纤维素的高效转化。
目前，CBP 工艺的产品种类仍局限于以纤维素乙醇为主，还不具备市场竞争力。近年来，基于合成生物学策略对梭菌底盘及酶系开展了以产品为导向的定向改造，成功开拓了CBP 产品种类。对于CBS 技术来说，其核心在于创制更为高效的生物催化剂，实现木质纤维素到可发酵糖的快速转化，而这很大程度上依赖于针对纤维小体复杂体系的合成生物学定向改良。
糖类物质是微藻细胞中重要的碳水化合物存在形式。微藻能够利用太阳能固定二氧化碳，合成单糖（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）。与高等植物相比，微藻生长速度快、体积小、生命周期短，因此更适合工业化、立体化的培养模式，这也意味着其具有更高的太阳能和土地资源利用效率。同时，微藻的遗传操作便捷性也超过植物。随着合成生物学技术的发展，可以更精准地进行天然代谢途径的改造或异源代谢途径的引入，实现对微藻胞内碳流、能量流的重定向，促进各种糖类物质的高效合成。蓝藻作为原核微藻，生长速度更快、细胞结构更加简单，近年来其相应的合成生物技术体系的发展也更为成熟，无论是对蓝藻光驱固碳产糖机制的认识、条件优化还是人工设计改造，都取得了长足的发展。微藻光驱固碳产糖为生物炼制的糖原料供应提供了一条全新的技术路线。
02、原料—产品转化
酵母可以利用不同来源的糖原料合成乙醇。酿酒酵母由于具有一般公认安全（generally recognized as safe，GRAS）、遗传背景清晰、遗传操作成熟及较好的环境胁迫耐受性等优点，已成为重要的乙醇细胞工厂（Favaro et al.，2019）。由于无法直接分解淀粉，酿酒酵母乙醇生产通常需要采用先糖化后发酵的方式。以木质纤维素作为原料，酿酒酵母只能够利用水解液中葡萄糖，无法利用木糖。而且，工业发酵过程中，酿酒酵母需要面对高温、高渗透压和高乙醇浓度等多种环境因素的胁迫。利用合成生物学方法，结合功能基因组的研究对酿酒酵母细胞工厂的功能进行优化，可以提高目标代谢物的合成效率，扩展其代谢能力，保证细胞在工业生产的胁迫环境条件下具有较好的活性。
迄今为止，已经发现多种酵母可以同时代谢五碳糖和六碳糖合成乙醇（Azhar et al.，2017），其中树干毕赤酵母（Pichia stipitis）、热带假丝酵母（Candida tropicalis）、马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）、布鲁塞尔德克酵母（Dekkera bruxellensis）等酵母菌具有天然的木糖等五碳糖代谢能力，可以合成乙醇，但产量、得率均达不到乙醇工业生产要求。通过基因组重排和微生物混合培养，采用合成生物学策略引入外源元件/途径、构建遗传元件随机突变文库并进行筛选，显著改善了非传统酵母同时利用五碳糖和六碳糖生产乙醇的能力。
梭菌（Clostridium）能够利用不同形式的糖原料发酵生产丁醇。虽然现有的产丁醇梭菌发酵技术在成本上与石油化工技术相比仍处于劣势（主要原因包括原料价格高、丁醇产量低、产物的提取成本较高），但基于未来大力发展可再生能源产业的需求，生物法制备丁醇的技术路线依然受到广泛关注。受益于近年来合成生物学的发展，一些新的理论、方法、技术已被应用于提升生物丁醇核心技术——产丁醇梭菌的遗传改良，并取得显著进展。
产丁醇梭菌作为一类代表性的厌氧细菌，受限于分子工具的匮乏和低效，其分子水平的基础与应用研究一度进展缓慢。但近年来分子生物学技术的迅猛发展为产丁醇梭菌的合成生物学研究创造了有利条件，相关研究也进入了“快车道”。众多遗传操作工具（包括基因和碱基编辑工具）已经被开发出来，这为梭菌丁醇代谢工程奠定了良好的基础。丁醇合成途径的增强及竞争途径的弱化或者删除，提升了丁醇的比例和产量；同时，一些经过代谢工程改造的非典型梭菌被用于丁醇发酵，实现了丁醇与丙酮生产的解耦；另外，遗传操作工具还为梭菌的丁醇耐受性、抗逆性能优化以及底物利用优化提供了便利，极大地提高了丁醇生产效率。
随着合成生物学的发展，利用糖类原料的新型能源微生物底盘和新型生物能源产品不断涌现。系统地研究模式底盘细胞，同时挖掘更多具有不同优良特性的新型微生物底盘细胞，进而合理设计、优化代谢途径与底盘细胞，可以拓展生物能源产品，提高产品产量。基于系统生物学可以加深对底盘细胞代谢网络、调控机制等方面的理解，结合合成生物学“设计—构建—测试—学习（design-build-test-learn，DBTL）”策略，对能源微生物底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造，构建高效的能源微生物细胞工厂，驱动从“造物致知”向“造物致用”发展，有望实现能源产品的多元化及产业化发展（Liu et al.，2021；Zhang et al.，2021）。
03、一碳资源利用
包括二氧化碳、一氧化碳、甲醇在内的一碳化合物是生物制造行业的理想原料，因具有来源广泛、制备容易、价格低廉的特点而受到广泛关注。合成生物学的发展有力地促进了利用一碳化合物的微生物细胞工厂的构建（Jiang et al.，2021）。
合成气是一种主要成分包含一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合气体。其来源非常广泛，包括化石燃料的不完全燃烧、植物生物质或生活废物的气化，以及炼钢等工业生产活动。利用合成气的梭菌（又称食气梭菌）是产乙酸细菌中的重要类群，尤其是永达尔梭菌（Clostridium ljungdahlii）、自产醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）等菌株是目前合成气发酵中研究较多的。乙酸和乙醇是大部分食气梭菌的主要发酵产物，另有一些食气梭菌还可在含一碳气体的生长条件下合成乳酸、丁醇、2,3-丁二醇等高值化合物，具有良好的工业应用前景。
天然的食气梭菌吸收、固定和转化一碳气体速率较慢，能量代谢效率低。长久以来，基因组信息和遗传学工具的缺乏，阻碍了食气梭菌生产平台的发展。近年来，随着测序技术的进步及各种遗传学工具的迅速发展，食气梭菌的合成生物学平台与技术也得到迅速发展。合成生物学元件的筛选和遗传转化方法的优化为食气梭菌代谢工程改造奠定了良好的基础。同源重组、基因编辑和大片段基因簇染色体整合表达等新技术的应用为食气梭菌代谢途径优化和高效细胞工厂的构建提供了重要的遗传操作工具。
朗泽科技（Lanza Tech）与首钢集团合作，采用先进的气体生物发酵技术，将钢铁、冶金、炼化等行业的工业尾气通过发酵技术直接转化为燃料乙醇、天然气和蛋白饲料等高附加值产品，同时将无机碳一步转化为有机碳，实现碳固定及碳减排。北京首钢朗泽新能源科技有限公司（简称“首钢朗泽”）于2018 年在首钢京唐公司建成投产了全球首套钢铁工业尾气生物发酵法制燃料乙醇项目，每年可生产燃料乙醇约4.5 万t、蛋白饲料约7650t，压缩天然气约330 万m³。依托该工业化项目的成功示范，首钢朗泽与位于宁夏、贵州的国内多家钢铁、铁合金、炼化等行业知名企业达成战略合作协议，开展工业尾气发酵法制燃料乙醇的推广应用。
微藻作为光合生物，可利用太阳能高效固定二氧化碳，转化为生物燃料。微藻可分为原核微藻和真核微藻，目前仅有少数微藻实现了规模化养殖（Hamed，2016）。微藻培养过程中对光照的需求较高，难以实现高密度培养，这导致规模化培养过程中微藻的生物质产量偏低（Fasaei et al.，2018）。虽然基于缺氮诱导等培养优化或者固碳关键酶过表达等基因工程操作可提高生物能源的产量，但是目前仅能在少数模式体系中实现特定产品的高效定向累积（Xin et al.，2017）。受微藻细胞壁生化组成等因素的影响，由微藻生物质转化为能源产品的生物炼制工艺相对复杂、成本高昂（Ward et al.，2014）。
合成生物学的快速发展为微藻生物能源产业带来了新的机遇。合成生物学研究的不同维度涉及多种颠覆性理论、技术和方法。聚焦微藻生物能源生产，这些颠覆性的成果在藻种选育、固碳和光合效率提升、全新固碳途径构建、微藻混养模式开发、细胞工厂与培养工艺适配、能源产品提取和微藻综合利用的协调性等领域已得到广泛的应用（Luan and Lu，2018b）。
甲醇具有来源广泛、易储存运输、价格相对低廉等优势，被视为极具潜力的生物制造原料。自然界中存在着一类甲基营养型微生物，天然可以利用甲醇等一碳化合物为底物进行生长及代谢，主要分为甲醇细菌和甲醇酵母两类。天然甲基营养型微生物能够高效利用甲醇进行细胞生长与产物合成，但其甲醇利用途径存在碳损失与能量消耗等问题。与模式微生物相比，甲基营养型微生物遗传操作工具匮乏，难以实现下游产物合成途径的快速搭建和代谢途径重构。因此，利用遗传背景相对清晰的模式微生物，如大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌及酿酒酵母等，通过重构甲醇代谢途径，实现甲醇进入初级代谢并合成目标产物，是当前的研究热点。然而，人工甲基营养型微生物普遍面临异源甲醇代谢途径与宿主内源代谢途径不匹配、甲醇利用效率低及菌株生长缓慢等问题（Wang et al.，2020）。
以天然甲基营养型微生物和模式微生物进行甲醇生物转化是两种不同的合成生物学研究策略，其中，天然甲基营养型微生物为人工甲醇利用微生物提供了上游甲醇同化途径元件，而人工甲基营养型微生物为天然甲基营养型微生物提供了下游产物合成途径元件及改造策略。近年来，随着CRISPR/Cas 技术[成簇规律间隔短回文重复（clustered regularly interspaced short palindromic repeat，CRISPR）/CRISPR 相关蛋白（CRISPR-associated protein，Cas）]的不断发展，在甲基营养型微生物，特别是甲醇酵母中开发了相对完善的基因编辑工具，极大地提高了其基因编辑效率。而实验室适应性进化结合反向代谢工程则在促进甲醇利用与增加底物和产物耐受等方面发挥重要作用。
综上所述，合成生物学在利用细胞工厂转化不同来源的可再生原料生成各种生物能源产品的过程中发挥了重要作用。目前，从最简单的、不含有碳原子的氢气到含有不同碳原子数、结构和性能各异的生物燃料分子，都已经实现了合成生物制造。合成生物学的快速发展将为生物能源产业的发展提供进一步的策略与技术支撑。
以合成生物学这一新兴学科为基础的合成生物技术是现代生物技术发展的集大成者，在新型生物质种质资源的创制、生物质资源的高效生物转化，以及生物能源与材料化学品的开发等方面发挥重要作用。《能源合成生物学》一书系统总结了如何通过合成生物学技术改造能源生物，以显著提高从二氧化碳到生物质、从生物质到糖，以及从糖到乙醇、丁醇、萜烯、脂肪烃等生物燃料产品和一碳资源直接转化为生物燃料产品等各个环节的转化效率，并对能源合成生物学未来的发展方向和机遇挑战进行了展望。该书不仅展示了合成生物学与合成生物技术在能源领域重要的学科和技术支撑作用，同时我也相信它一定会成为相关领域的科研和工程技术人员及科技管理部门重要的参考用书。
刘中民
中国工程院院士
中国科学院大连化学物理研究所所长
2024 年2 月
本文摘编自《能源合成生物学》（吕雪峰主编. 北京 : 科学出版社 ; 济南 : 山东科学技术出版社, 2024. 6）一书“第1 章 概 述”“序一”“序二”，有删减修改，标题为编者所加。
