合成生物学

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2023, 4(6): 0.

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从生物能源到能源合成生物学——创新合成生物技术，助力能源安全体系建设

吕雪峰, 宋浩

2023, 4(6): 1051-1054. doi:10.12211/2096-8280.2023-076

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热纤梭菌在生物质能源开发中的合成生物学研究进展

肖艳, 刘亚君, 冯银刚, 崔球

2023, 4(6): 1055-1081. doi:10.12211/2096-8280.2023-046

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农林废弃物、能源植物、微藻等生物质是唯一同时具备“能源”和“物质”双重属性的可再生资源，在替代不可再生的化石能源方面具有巨大的潜力。木质纤维素生物转化的核心之一在于高效生物催化剂的构建。热纤梭菌是高效降解木质纤维素的嗜热厌氧菌，是多种木质纤维素生物转化策略的理想底盘菌株，在生物质能源开发中具有重要价值。经过近二十年的研究和开发，针对热纤梭菌已经建立了多种遗传改造技术，并构建了可以生产多种能源分子及化学品的热纤梭菌细胞工厂。本文首先介绍了热纤梭菌及其纤维素降解与利用特性，简述了热纤梭菌的系统生物学研究和遗传改造工具开发的现状，随后重点回顾和总结了热纤梭菌在生产乙醇、丁醇、异丁醇、氢气、乳酸、中/短链脂肪酸酯和可发酵糖等生物能源开发中的合成生物学研究进展。最后对热纤梭菌的合成生物学发展方向进行了展望，并强调了合成生物学技术在未来生物质能源开发中的重要作用。

生物燃料高效生产微生物细胞工厂构建研究进展

晏雄鹰, 王振, 娄吉芸, 张皓瑜, 黄星宇, 王霞, 杨世辉

2023, 4(6): 1082-1121. doi:10.12211/2096-8280.2023-047

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生物燃料替代化石燃料可解决当前全球正面临的能源危机和环境危机。通过筛选、改造微生物，利用可再生资源高效生产具有经济效益和社会效益的生物燃料已成为可持续生物制造的重大发展方向。基于系统生物学理解并设计细胞工厂生物燃料的合成途径与调控网络，利用合成生物学手段开发高产稳产微生物细胞工厂是实现生物燃料经济生产的重要手段。本文概述了当前生物燃料的主要种类及对应的代谢途径，并总结了当前主要生物燃料的生产情况。重点介绍从微生物物质代谢、能量代谢、生理代谢和信息代谢四个方面去认识、改造、开发微生物底盘细胞使其成为高产稳产的生物能源细胞工厂。此外，本文也对当前生物能源的生产瓶颈和挑战进行了总结，并从酶元件库的挖掘、合成途径的创建与优化、底盘细胞的理解和性能改善、发酵工艺的智能控制等方面提出了未来的发展方向和目标任务，强调了在未来的研究中，信息技术（IT）和生物技术（BT）交叉融合是能源细胞工厂构建的发展趋势，可为高效生物燃料细胞工厂的构建提供工具和资源，加速生物能源的产业化进程。

醇脱氢酶的研究进展及其催化增值生物基呋喃化合物前景展望

刘庠诗, 吴奕禄, 詹鹏, 黄天灏, 蔡的, 秦培勇

2023, 4(6): 1122-1139. doi:10.12211/2096-8280.2023-059

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醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase， ADH）广泛存在于生物体内，可应用于多种有机物选择性氧化还原。近年来，随着对酶的催化机理、结构认知、分子改造和反应系统构建及强化等方面研究的逐渐深入，ADH在生物基平台化合物的高选择性催化氧化还原方面展现出巨大潜力。本文综述了ADH分子设计和定向改造的前沿技术和进展，面向常见的辅因子依赖性ADH催化过程中的辅因子高成本及稳定性差等局限，聚焦酶反应过程中的辅因子再生强化技术，梳理了适用于ADH催化系统的化学驱动、酶驱动和光电驱动辅因子再生路径，并从单酶催化体系开发、多酶协同催化系统挖掘、全细胞催化技术发展与应用等多个角度概述了ADH在催化生物基呋喃化合物方向的最新研究进展。随着对ADH应用潜力的进一步挖掘，未来ADH有望成为生物基呋喃增值工业化进程中的重要组成部分，为能源生产的绿色发展提供助力。

真核微藻脂质代谢工程的研究进展和展望

孙翰, 刘进

2023, 4(6): 1140-1160. doi:10.12211/2096-8280.2023-044

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真核微藻作为一类重要的生物资源，脂质含量高，广泛应用于能源、化工和食品等领域。然而，真核微藻生物能源成本偏高，其产业化应用仍然面临着一系列挑战。通过代谢工程手段改造微藻，促进脂质的合成与积累，可提高微藻脂质生产的经济可行性。本文介绍真核微藻脂质代谢途径和关键酶基因，并总结了不同培养条件下代谢途径相关基因在转录水平上的变化。还探讨通过代谢工程调控脂质合成相关酶、转录因子和竞争途径等方法，以提高微藻脂质含量和调整脂肪酸组成。通过基因组学、转录组学和蛋白质组学数据的整合分析可揭示脂质代谢中的关键节点和主效调控因子，有助于确定代谢工程的潜在目标。此外，基因工具和基因编辑技术的开发和拓展可显著提高转化效率，实现对微藻底盘细胞的精准改造。通过重塑能量和碳代谢途径，可设计优化微藻脂质生物合成过程。在微藻遗传工具、基因编辑技术、代谢通路调控和产业化等方面的进一步研究和探索对于推动微藻脂质工程的研究和发展具有重要意义。

面向高效光驱固碳产醇的蓝细菌合成生物技术研究进展

孙绘梨, 崔金玉, 栾国栋, 吕雪峰

2023, 4(6): 1161-1177. doi:10.12211/2096-8280.2023-051

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蓝细菌能够直接利用二氧化碳和太阳能通过光合作用生产乙醇，为提供绿色生物燃料提供了一条有前途的可持续路线。光驱固碳合成乙醇是最具代表性的蓝细菌光合生物制造技术。乙醇并不属于典型的蓝细菌天然代谢物，蓝细菌产醇细胞工厂的构建需要通过向基因组中导入异源的丙酮酸脱羧酶并结合异源/内源醇脱氢酶的过量表达来实现；在过去二十多年间，通过蛋白、途径、底盘、工艺层面的系统优化，蓝细菌产醇细胞工厂的效能得到有效提高，乙醇成为目前产量最高、产率最高、碳流分配率最高的蓝细菌代谢工程产物。本文总结并比较了“蓝细菌生物质炼制产醇”“蓝细菌固碳产糖-产醇”“蓝细菌固碳直接产醇”等三种光驱固碳产醇技术路线，并以构建光合细胞工厂驱动二氧化碳一站式转化为乙醇的技术路线为主，从乙醇合成途径优化与强化、蓝细菌光合碳代谢网络的调节与重塑、代谢网络模型与计算机辅助设计引导细胞工厂构建和优化三个方面对蓝细菌高效光驱固碳合成乙醇的技术发展历程和基本现状进行了介绍，特别是强调了计算生物学、系统代谢工程、生物材料嵌合等研究手段在本领域的应用进展；在此基础上，也从新型底盘开发、高通量筛选技术应用、细胞工厂的稳定性与鲁棒性优化等角度对蓝细菌固碳产醇的未来发展方向进行了展望。

化能驱动的产乙酸菌转化利用CO₂研究进展

文志琼, 李煜真, 张金刚, 王菲菲, 马小清, 李福利

2023, 4(6): 1178-1190. doi:10.12211/2096-8280.2023-045

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利用微生物发酵一碳气体生产燃料和高值化学品，是实现碳资源回收利用和绿色生物制造的重要途径之一。产乙酸菌可利用CO或H₂为能量来源，通过伍德-永达尔（Wood-Ljungdahl）途径固定CO₂，维持自身代谢，并生产乙酸、乙醇等高附加值产品。相较于化学催化而言，该生物催化过程对原料气体比例要求不高、反应条件温和、产物选择性高。在气体发酵中，CO和H₂均可作为菌株生长和代谢的能量来源，二者具有不同的能量代谢模式。同时，不同的产乙酸菌代谢产物也不相同。发酵过程中气体溶解度低限制了能量供给，导致微生物生长速率慢、原料利用率低以及目标产物产量低等问题。提高气体利用效率和扩大产乙酸菌的产物谱，是面向产业化应用的必然要求。本文简述了产乙酸菌的伍德-永达尔途径、产乙酸途径和产乙醇途径等天然代谢途径，从分子改造的角度总结了产乙酸菌利用一碳气体发酵生产高附加值产品如乙醇、2，3-丁二醇、丙酮、异丙醇等的相关研究进展，并从提高能量供给和产物选择性的角度进行了总结。最后，本文以能量代谢为切入点对产乙酸菌转化一碳气体进行了展望，以期为未来的生物制造提供参考。

电能辅助二氧化碳生物转化

刘伟松, 张坤城, 崔会娟, 朱之光, 张以恒, 张玲玲

2023, 4(6): 1191-1222. doi:10.12211/2096-8280.2023-041

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CO₂排放带来全球性气候变化问题，为此世界各国纷纷采取了一系列减排固碳措施。我国于2020年提出“碳达峰，碳中和”发展目标，推进固碳技术发展迫在眉睫。受益于近年来合成生物学领域的迅猛发展，基于酶或微生物催化的CO₂生物转化研究在酶元件、途径和系统的人工设计改造等方面取得一系列重要进展，典型产物代表有燃料、氨基酸、淀粉、单细胞蛋白、生物塑料及其他多种生化产品。为此，CO₂也被认为是第三代生物原料。CO₂转化的关键在于外加能量活化CO₂分子，相比于光能、热能和化学能等，电能在成本投入和小型便捷方面优势突出，因此更受科学界和产业界青睐。CO₂生物转化利用电能分为两种方式，即生物直接利用电能固定CO₂和利用电能间接辅助CO₂生物转化［包括电催化CO₂还原、电再生辅因子（如NADH）、电解水制氢］。本文全面介绍了这两种方法在CO₂生物转化方面的研究进展，分析了可能的固碳机制，并讨论了不同方法的优点和缺点。此外，还提出了合成生物技术应对低效CO₂生物转化时的可能策略如挖掘高活性固碳酶、酶工程改造提高酶与电极之间的电子传递效率、代谢工程改造丰富固碳微生物的产物种类和提高固碳效率等，以期相关研究能真正走向实际应用，助力我国双碳目标的实现。

二氧化碳微生物转化与体外酶催化体系研究进展

叶伟, 李芮, 姜卫红, 顾阳

2023, 4(6): 1223-1245. doi:10.12211/2096-8280.2023-050

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二氧化碳（CO₂）是主要的温室气体，但同时也是一种储量巨大、廉价、安全且易得的可再生资源。在我国“碳达峰、碳中和”战略目标的驱动下，如何有效减少CO₂排放并转而利用这一重要碳资源已成为当前的研究热点与重点，这同时也加快了CO₂捕集、利用与封存（carbon capture， utilization and storage， CCUS）技术的发展和创新。生物转化是实现CO₂利用的主要路径之一，既能够直接催化、转化CO₂合成目标产物，也可以与化学催化路径相耦合实现对CO₂来源的有机低碳资源（如甲醇、甲酸、乙酸）的有效转化及定向合成，因此有望在国家“双碳”目标的实现中发挥重要作用。本文对近年来CO₂生物转化的研究进展进行了梳理和总结，指出了现有技术路线的特点和不足，并对今后的研究重点和方向提出了建议。总体而言，CO₂生物利用技术目前尚处于起步阶段。基于化能自养细菌的合成气（CO₂/CO）发酵生产乙醇虽已实现工业化，但仍需要进一步优化和提高CO₂的转化利用效率，并获得除乙醇外更多的高值产品，从而提升整个技术路线的经济性。而其他的CO₂生物转化路径，无论是化学-生物发酵耦合还是体外酶催化，目前离大规模应用还有较大距离，需要进一步优化技术体系和降低成本来满足工业化需求。

全碳素生物转化沼气制备生物航煤制造路线研究进展

张晨悦, 马英群, 王兴, 傅容湛, 黄技伟, 花秀夫, 范代娣, 费强

2023, 4(6): 1246-1258. doi:10.12211/2096-8280.2023-048

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作为一种清洁可再生能源，沼气具有替代化石燃料的潜能。沼气的传统利用是通过直接燃烧获得电力和热量，但该过程会产生二氧化碳（CO₂），不仅降低了沼气利用的碳原子经济性，还会带来温室气体排放等问题。为了实现沼气全碳素转化，本文提出以餐厨垃圾厌氧消化产生的沼气为原料，利用合成生物学技术和生物制造策略，将其中的全部碳素（CO₂和CH₄）高效转化为生物航煤（SAF）。该制造路线利用光能自养微生物和好氧性嗜甲烷菌分别转化CO₂和CH₄合成生物油脂，再将油脂提取并升级加工制备SAF。文章通过介绍光能自养微生物和好氧性嗜甲烷菌的关键酶和代谢途径，总结菌种改造策略和发酵工艺优化在提升油脂积累方面的研究进展。在比较了不同生物油脂预处理和升级加工的工艺特点之后，分析了相关技术的经济性和应用场景。基于SAF的燃烧性能及其在生产过程中的全球变暖潜势值，讨论了SAF制造路线的技术可行性。最后，借助技术经济可行性分析，展望了提升SAF制造路线经济性的策略，为生物技术在燃料生产领域的商业化应用提供参考。

生物光伏：环境友好的新型太阳能利用技术

朱华伟, 李寅

2023, 4(6): 1259-1280. doi:10.12211/2096-8280.2023-039

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生物光伏利用可自我更新的光合细胞作为光电转化材料，是一种环境友好的新型太阳能利用技术。生物光伏包括光合细胞中的光化学反应、细胞与电极间的跨膜电子传递、生物电化学系统中的电流产生三个核心过程。光合细胞的天然跨膜电子传递效率较低，成为了生物光伏电能输出的主要限制因素。针对这一问题，近年来研究人员发展了一些新的跨膜电子传递策略，包括基于外源电子载体的间接电子传递、基于导电纳米材料的杂合电子传递以及基于合成微生物组的定向电子传递。本文简要回顾了生物光伏的发展历史，综述了不同电子传递策略的基本原理、优势和不足，总结了提高生物光伏电能输出的研究进展。最后，探讨了生物光伏在高功率电子器件领域的应用前景，及如何利用合成生物技术增强跨膜电子传递效率，以期加速生物光伏的发展。

电活性微生物基因编辑与转录调控技术进展与应用

陈雅如, 曹英秀, 宋浩

2023, 4(6): 1281-1299. doi:10.12211/2096-8280.2023-056

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电活性微生物通过胞外电子传递通路与胞外电子受体/供体进行双向电子交换，产生或吞噬电流。电活性微生物已广泛应用于微生物电化学技术领域，涵盖了元素的生物地球化学循环、环境污染的生物处理与电能生产、生物传感、微生物冶金以及化学品的微生物电合成等多个领域，成为全球环境保护和低碳经济的研究热点。然而，这些微生物在实际应用中仍面临较大局限，如微生物燃料电池的输出功率密度存在一定的上限、微生物电合成技术中的CO₂还原速率尚未达到理想水平等。为了克服这些限制性因素，需要通过高效的基因编辑和转录调控策略来改变电活性微生物的遗传特性，提高其双向电子传递效率。本文首先总结了模式电活性微生物（希瓦氏菌和地杆菌）和其他代表性电活性微生物的基因编辑方法和利用CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeat）技术实现转录调控的策略。在基因编辑方面，涵盖了（CRISPR辅助的）同源重组、碱基编辑等方法；而在转录调控方面，包括了CRISPR介导的抑制和激活。此外，对于多基因编辑和调控的策略也进行了深入探讨。其次，综述了这些技术在环境、能源领域中的应用，包括微生物燃料电池、污染物生物处理和修复等。最后，讨论了目前电活性微生物工程改造所面临的挑战和未来的发展方向。

希瓦氏菌Shewanella sp. MR-4在不同末端电子受体条件下的代谢通量分析

郑庆祥

2023, 4(6): 1300-1320. doi:10.12211/2096-8280.2022-052

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本研究解析了Shewanella sp. MR-4在厌氧条件下以Fe³⁺、延胡索酸、硝酸和二甲基亚砜（DMSO）为末端电子受体时代谢通量分布，发现在各种不同末端电子受体条件下细胞内代谢通量分布发生显著改变。与延胡索酸相比，在Fe³⁺和硝酸为电子受体条件下，乙酸生成速率明显降低，而三羧酸循环代谢通量增加。同时，三羧酸循环回补反应存在显著差异：在延胡索酸为电子受体条件下，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶反应是唯一回补反应，而在Fe³⁺和硝酸条件下苹果酸酶催化成为唯一回补反应。本研究在代谢通量分析基础上定量解析了还原力NADH合成和消耗，分析了电子流向变化，发现在不同末端电子受体条件下，NADH产生途径和反应发生明显变化。研究结果为希瓦氏菌代谢工程改造提供了一定理论依据。

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