合成生物技術多維度支撐能源領域

“深耕科技前沿動態，解讀科技背後真相，瞄準科技產品評測”

近些年，合成生物學的資本市場再次活躍起來，同時在宏觀層面上，“碳達峰、碳中和”戰略和目標也被強調和明確。面對此番全新的環境，合成生物學在能源領域的應用和前景，又該如何去重新認識和評估呢？

光合藍細菌與生物能源

“我是 08 年的時候回國建立獨立實驗室，主要從事微生物代謝工程。”在提及如何選擇合成生物學及能源方向時，呂雪峰這樣說道：“當時的想法，來中科院青能所一定會思考如何將生物技術應用到能源上，所以自然就定位在了生物能源領域。”

“自己的專業方向是微生物代謝工程，做微生物代謝工程，首先需要想清楚三個方面的問題：選擇什麼樣的微生物體系？聚焦什麼樣的目標產品？運用什麼樣的方法技術？這就要求必須在至少一個方面擁有自己的特色與優勢，於是最後選擇了

光合藍細菌

作為自己的研究體系。”

藍細菌

，又名藍藻，是一類最古老、最原始、最低等的光合微生物，在地球從無氧到有氧的生物進化過程中發揮了非常重要的作用，藍細菌擁有葉綠素和類胡蘿蔔素等光合色素，這使得其能夠在沒有葉綠體的情況下進行光合作用，吸收二氧化碳併產生氧氣。

藍細菌在高鹽等極端環境下有著較好的抗逆性，此外，部分藍細菌還擁有固氮功能。

圖丨掃描電子顯微鏡下的集胞藻（來源：中科院青島生物能源與過程研究所）

“以前大家都是從光合作用的模式體系層面研究藍細菌，或者是從遺傳發育這些方面去認知藍細菌，後面開始逐漸意識到了其作為光合生物製造平臺的潛力。”呂雪峰介紹道：“透過天然途徑的改造或者非天然途徑的組裝，藍細菌便能夠將二氧化碳直接轉化成

能源

或者其他產品，就像一個能夠光合作用的大腸桿菌。”

透過光合作用，藍細菌能夠直接將二氧化碳、光和水轉化為糖類、脂類、萜類等產品，與高等植物相比，藍細菌相對生長速度快、細胞結構簡單、遺傳改造容易，這使得藍細菌在生物能源領域的研究中有著獨特的優勢，可以透過單一平臺、單一過程同時實現固碳減排與生物合成。

圖丨藍細菌光合生物製造（來源：中科院青島生物能源與過程研究所）

“光合藍細菌是很重要的一個微生物體系。不過，當時尚未有很多合成生物學相關工作去拓展這個體系。”呂雪峰說道。

於是，呂雪峰博士便將合成生物學技術應用到了光合藍細菌體系之中。團隊先後設計構建了蔗糖、甘油葡糖苷、乙烯、乙醇、脂肪醇、脂肪烴等一系列產品的光碟機合成路線。在這其中，

甘油葡糖苷

的光合生物製造已經實現了產業化。

圖丨基因工程藍細菌合成生物乙醇（來源：

Energy & Environmental Science

）

除了光合藍細菌的研究體系，呂雪峰博士在之後還開拓了絲狀真菌的研究體系。不同於藍細菌側重於能源的應用，呂博士在絲狀真菌上的研究是著眼於天然產物等高附加值產品的生物合成，目前也已經成功實現了

植物源殺菌劑大黃素甲醚與新型線蟲殺蟲劑（殺線劑）反式烏頭酸

的高效微生物合成，並且與企業合作完成了研究成果的技術轉讓。

總結起自己的藍細菌能源微生物合成生物學研究體系，呂雪峰告訴合成生物學競賽組委會，在近中長期上，其有著不同的佈局：

近期做高附加值產品，中期做化工類產品，長期做能源類的產品，但是聚焦產品的同時，更重要的是解決這個光合生物製造體系所面臨的重大科學問題與關鍵技術瓶頸，

這些其實是無論做什麼產品都會面臨的共性問題。

“我們在生物能源，無論是能源產品，還是能源原料，如藍細菌光合乙醇、藍細菌光合葡萄糖上都做到了很高的水平，在國際上都是領先的水平。 ”呂雪峰解釋道：“不過在目前這個階段，能源它作為一個大宗產品，其價格是相對低的，成本壓力是比較大的，我們將它定位成一個長期工作，這是合理的。”

能源需求的大宗化和生物能源的成本問題，影響了呂雪峰博士研究體系的規劃和佈局，其實也從側面反映了當前生物能源行業的現狀。

與資源、多過程、多產品融合發展

“現在整個生物能源，

我覺得還不是一個成熟的產業。

”談及現下生物能源產業時，呂雪峰這樣對合成生物學競賽組委會說道。

“

生物能源的發展，它不是成熟產業的技術革新與提升，而是需要推動形成一個新的產業，這個本質是不同的。比如石油化工、煤化工，它們已經是非常成熟的產業。”呂雪峰進一步解釋道。

是的，從基礎原料到技術再到產品，任何產業的一環都不可能孤立而存在。因此，判斷一個產業成熟的關鍵，是看其“是否打通了供應鏈上下游，是否形成了完成的產業鏈”。

而在目前的生物能源供應鏈中，上端的原料資源的供應以及下端的產業需求都尚未成熟。

“從資源角度，拿木質纖維素類的原料看，如秸稈，它面臨著

原料收集和運輸困難

的問題。”呂雪峰解釋道：“而在獲得原料之後，還需要對其進行預處理、酶解、糖化等工藝，最終產品的成本仍然很高，使得下端很難找到對應企業來去對接推動。”

圖丨生物能源產業鏈示意圖

供應鏈上的不成熟，這是整個生物能源產業在宏觀層面上的共同挑戰。

而在微觀層面的落地過程中，不同技術的生物能源企業各自也面臨著不同的挑戰。以“藍細菌”為例，呂雪峰博士指出：

藍細菌能源產品，首先需要解決效率與成本的問題，即使這些解決了，“規模化生產”也將會是一大挑戰。

“使用微藻生產生物柴油、航空燃料或者新型燃料，技術路線都已經打通了。然而就算你解決了成本問題，還有個規模問題。就是雖然成本很低了，但

生產所需佔地面積很大，你的規模也是上不去的，這也就需要開發新的光生物反應器系統與新的微藻規模培養正規化。

”呂雪峰解釋道：“能源它是個

大宗需求

，不像藥物它那樣需求量少，能源需要的是大批次供應。”

圖丨左：實驗室條件對藍細菌代謝工程藻株的分析評價；右：螺旋藻規模養殖製備甘油葡糖苷（來源：中科院青島生物能源與過程研究所）

可以看出，當前生物能源產業的發展，受到了來自宏微觀各因素的限制。

不過，隨著可持續發展觀念的深入人心、“雙碳”戰略的制定與實施，加之近年重新躁動的資本市場，生物能源產業的未來又將如何呢？

對此，呂雪峰告訴合成生物學競賽組委會：“未來的生物能源產業，其‘

概念

’與‘

定位

’是需要重新理解的。”

首先在概念上，

生物能源不應該僅僅侷限在於生產能源產品上，

其他的研究，比如開發了新的生物途徑，

能夠提高生物質資源利用率，或者是使得原本不能被利用的生物質資源能夠被利用，

其實都是一個生物能源的領域範疇。

“生物能源的概念，不要只把它侷限在生物能源產品上，好像只有做生物汽油、生物柴油、生物航煤或生物乙醇，這才是生物能源，並不是這樣。”呂雪峰說道：“生物能源的核心是生物質資源的

高效轉化、高質利用，

這其實可以用來做各種各樣的產品，並不一定要做能源產品。 ”

而對於生物能源的定位，呂雪峰博士則認為：

未來的能源產業應該是一個多資源、多過程、多產品融合發展的產業。

“能源產業，最關鍵的是

更高效地開發能源、更高效地使用能源，

避免不必要的浪費。”呂雪峰強調道：“有些資源可能是適合生物轉化，有些資源可能是適合化工轉化，還有些可能適合物理轉化，就一定要找到它最適合的方式，而並不是說你生物轉化一定都是最優的。”

合成生物學在能源領域的多維應用

誠然，目前的能源產業仍然是以石油化工為主，不過可以預期的是：綠色能源在未來能源產業的佔比必然有著較大的提升，而作為

唯一含碳的可再生能源，

生物能源還是會發揮不可替代的重要作用。

面對尚未成熟的生物能源產業，新興的合成生物學技術又能給生物能源帶來怎樣的影響呢？

長期從事合成生物學技術和生物能源研究的呂雪峰博士告訴合成生物學競賽組委會，合成生物學，正在從

三個維度

深刻改變生物能源產業，分別是：

改變原料的生產方式、提高生物質能源的使用效率、創制新型的生物能源產品。

首先，

改變原料的生產方式，

是指透過合成生物技術對植物來源的原料進行育種改造，如提高植物的產量、改造植物能夠在某些邊際土地極端環境下生長，增加生物質原料來源的多樣性。同樣來自中國科學院青島生物能源與過程研究所的付春祥研究員和李勝軍研究員，就在從事這方面的工作。

而在這一維度的典型案例，則是 2019 年發表在

Science

上的一項研究，來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員利用合成生物技術，設計替代了植物中原有高耗能的光呼吸途徑，最終使得植物的產量比野生型的提高了約 40%。

圖丨工程改造的植物與野生型植物的對比（來源：

Science

）

其次，是

提高生物質能源的使用效率，

即透過合成生物技術構建更加高效的生物降解路徑，就比如同樣來自青島生物能源與過程研究所的崔球研究員，其開發了基於纖維小體全菌催化劑的木質纖維素“整合生物糖化”策略，實現了木質纖維生素的高效轉化與利用。

“現在不管是什麼生物能源的路線其實都是相通的，很多都是已經打通，但是產業化走不下去，核心瓶頸在於哪裡呢？就是成本太高。那成本太高靠什麼呢？就需要靠技術，這些新興的、現代的合成生物技術給它賦能，提高它的使用效率。”呂雪峰說道。

圖丨木質纖維素催化體系的對比（來源：

Biotechnology Advances

）

最後，透過合成生物技術，研究人員還可以

創制一些新型的生物能源產品，包括全新的生物合成路線，

就比如呂雪峰博士自主研發的藍細菌生產乙醇的體系，其將生產乙醇的途徑匯入到藍細菌中，最終實現了將二氧化碳光合驅動直接轉化成為乙醇。

目前，呂雪峰博士團隊還正在建設

光伏+光合

全太陽能驅動的微藻光合生物製造平臺。

“未來的能源產業，一定是一個多資源、多過程、 多產品融合發展的產業。”呂雪峰總結說道：“在生物能源領域中，透過合成生物技術等新的技術在各個環節去賦能，降低它的成本、提升它的效率，把整個流程的成本降下來，然後一定能夠走向產業化應用。 ”

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