楊琛，袁其朋，申曉林，劉子鶴，譚天偉

生物體蘊(yùn)含著嘆為觀止的制造能力。隨著化石能源造成的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，發(fā)展生物基產(chǎn)品已成為保障生態(tài)鏈良性循環(huán)、促進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。2013—2014年美國能源部連續(xù)啟動了包括“合成基因回路促進(jìn)轉(zhuǎn)基因生物能源作物的產(chǎn)量”在內(nèi)的4個合成生物學(xué)項目，將細(xì)胞作為工廠制造生物基燃料和化學(xué)品，以期創(chuàng)造其領(lǐng)先國際的新實力。2016年5月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，指出要重視合成生物對工業(yè)生物領(lǐng)域的深刻影響，加快生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同年，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》再次重申了關(guān)于加強(qiáng)合成生物技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，并于2018年和2020年連續(xù)發(fā)布了“合成生物學(xué)”和“綠色生物制造”兩個“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重點(diǎn)專項的申報指南。同時，美國、歐盟等2019 年以來實施的《工程生物學(xué)：下一代生物經(jīng)濟(jì)的研究路線圖》《歐洲化學(xué)工業(yè)路線圖：面向生物經(jīng)濟(jì)》等生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略也將化學(xué)品生物制造列為重點(diǎn)方向。習(xí)近平總書記2021 年3 月在《努力成為世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地》一文中強(qiáng)調(diào)，以合成生物學(xué)、基因編輯等為代表的生命科學(xué)領(lǐng)域孕育新的變革，要加快推進(jìn)生物科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。這些部署證明合成生物學(xué)方法生產(chǎn)化學(xué)品將引起全球新一輪科技革命，成為經(jīng)濟(jì)、民生和產(chǎn)業(yè)變革的主戰(zhàn)場，是未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要力量。

合成生物學(xué)是實現(xiàn)化學(xué)品綠色制造的核心技術(shù)，在過去的十多年里，合成生物學(xué)使細(xì)胞工廠的生物制造能力大幅提升。一批原來不能生物合成或生物合成效率很低的化學(xué)品，如1，3-丙二醇、琥珀酸、1，4-丁二醇、L-丙氨酸、3-羥基丙酸等重要化學(xué)品，已成功利用生物制造方法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)升級。全球生物基產(chǎn)品占石化產(chǎn)品的比例已從2000年的不到1%增長到現(xiàn)在的10%，并以每年高于20%的速度增長。世界經(jīng)濟(jì)論壇（WEF）發(fā)布的報告顯示，利用可再生原料生產(chǎn)生物基產(chǎn)品是未來新興生物經(jīng)濟(jì)的重要特征。據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）預(yù)測，到2030 年，35%的化學(xué)品生產(chǎn)將由生物制造來實現(xiàn)。合成生物學(xué)技術(shù)將變革傳統(tǒng)化學(xué)品生產(chǎn)模式，成為經(jīng)濟(jì)、民生和產(chǎn)業(yè)變革的主戰(zhàn)場，是未來經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要力量。

合成生物學(xué)助力的化學(xué)品綠色制造涉及底盤細(xì)胞的改造和創(chuàng)建，目標(biāo)化學(xué)品合成途徑的設(shè)計與組裝，以及代謝網(wǎng)絡(luò)的人工調(diào)控與優(yōu)化。通過一系列精確改造如大片段刪減、高效無痕編輯和功能模塊的穩(wěn)定表達(dá)等，消除原有的本底代謝產(chǎn)物干擾或者提高異源表達(dá)產(chǎn)量，優(yōu)化底盤細(xì)胞的性能并提高“細(xì)胞工廠”的可塑性。通過調(diào)整或者重構(gòu)代謝途徑，提高前體供應(yīng)，平衡代謝網(wǎng)路中每步反應(yīng)的代謝流以及各種輔因子，遺傳改造解除代謝中間體以及代謝產(chǎn)物的反饋抑制，來達(dá)到種類繁多的目標(biāo)化學(xué)品生產(chǎn)。本刊集結(jié)了國內(nèi)一線工作者對化學(xué)品合成生物學(xué)各個方面的論述。

（1）在底盤細(xì)胞的改造和創(chuàng)建方面 江南大學(xué)堵國成團(tuán)隊總結(jié)了大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、谷氨酸棒桿菌、巴斯德畢赤酵母以及釀酒酵母等常用工業(yè)化宿主的特性和優(yōu)勢合成產(chǎn)物。南京師范大學(xué)黃和團(tuán)隊圍繞真核油脂細(xì)胞工廠的改造，系統(tǒng)總結(jié)了合成生物技術(shù)驅(qū)動油脂細(xì)胞工廠開發(fā)的研究進(jìn)展；另外，體外合成生物學(xué)因其可以避開底盤細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響、提高人工代謝途徑的設(shè)計效率，引起了越來越多的關(guān)注。浙江工業(yè)大學(xué)鄭仁朝、鄭裕國團(tuán)隊總結(jié)了體外生物合成途徑設(shè)計的重要原則以及用于酶元件組裝的常見生物大分子，并展望了化學(xué)品體外生物合成的發(fā)展趨勢。

（2）在目標(biāo)化學(xué)品合成途徑的設(shè)計與組裝方面 西湖大學(xué)張科春團(tuán)隊討論了有機(jī)酸、有機(jī)醇的五種創(chuàng)新生物合成途徑（一碳化合物同化途徑、非磷酸化途徑、酮酸途徑、β-氧化逆循環(huán)途徑和聚酮化合物途徑）。華東理工大學(xué)魏東芝團(tuán)隊總結(jié)了甾體藥物綠色生物制造的現(xiàn)狀，介紹了甾體化合物的生物催化轉(zhuǎn)化和微生物從頭合成等方面的最新進(jìn)展。北京化工大學(xué)袁其朋團(tuán)隊設(shè)計并構(gòu)建了兩條不同的人工生物合成途徑，實現(xiàn)了大腸桿菌從頭生物合成3-苯丙醇。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張大偉團(tuán)隊總結(jié)了莽草酸途徑合成芳香族氨基酸及其衍生物的代謝途徑及改造策略，并展望了提高這類產(chǎn)物產(chǎn)量的相關(guān)前沿技術(shù)。

（3）在代謝網(wǎng)絡(luò)的人工調(diào)控與優(yōu)化方面 南京工業(yè)大學(xué)姜岷團(tuán)隊聚焦2-苯乙醇等重要香料化合物的細(xì)胞工廠構(gòu)建，總結(jié)了其生物合成途徑、調(diào)控機(jī)制以及提高產(chǎn)量的代謝工程策略。江南大學(xué)劉立明團(tuán)隊綜述了利用合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)制大腸桿菌細(xì)胞工廠合成飼用氨基酸的研究現(xiàn)狀和未來方向。北京化工大學(xué)孫新曉、袁其朋團(tuán)隊總結(jié)了微生物共培養(yǎng)生產(chǎn)化學(xué)品的研究進(jìn)展，調(diào)控菌群比例的方法以及預(yù)測菌群動態(tài)變化的工具。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所鄭平、孫際賓團(tuán)隊綜述了生物合成的育種策略，以及系統(tǒng)代謝工程和合成生物技術(shù)在5-氨基乙酰丙酸微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建中的應(yīng)用和展望。另外，基于一碳化合物的綠色生物制造是將碳排放從減碳轉(zhuǎn)變到負(fù)碳，實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑。德國漢堡工業(yè)大學(xué)曾安平團(tuán)隊對基于二氧化碳的生物制造這一近期研究熱點(diǎn)進(jìn)行了評述。西安交通大學(xué)費(fèi)強(qiáng)團(tuán)隊總結(jié)了嗜甲烷菌人工細(xì)胞構(gòu)建的研究進(jìn)展，并對嗜甲烷菌工業(yè)化應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了展望。

合成生物學(xué)的高速發(fā)展使得許多產(chǎn)品的綠色生物制造變成了可能，涉及能源、食品、材料、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域，對我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)科技強(qiáng)國、成為世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地的目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。因此，需要抓住合成生物學(xué)的高速發(fā)展及機(jī)遇期，提升化學(xué)品生物制造的戰(zhàn)略性布局和技術(shù)革新，加快從理論研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度，促進(jìn)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈精準(zhǔn)對接，推動自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，支撐化學(xué)品的綠色生產(chǎn)，帶動數(shù)萬億美元的新興生物制造業(yè)。