生物制造技術(shù)在全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它不僅是解決資源匱乏和環(huán)境污染的關(guān)鍵技術(shù)，也是推動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要引擎。隨著全球綠色低碳經(jīng)濟(jì)的崛起，各國紛紛出臺政策以支持生物制造技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。例如，中國《“十四五” 生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要大力發(fā)展生物制造，推動(dòng)生物基材料、綠色能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的突破性發(fā)展，以實(shí)現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)和綠色經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。這一政策呼應(yīng)了全球可持續(xù)發(fā)展的需求，強(qiáng)調(diào)通過生物制造減少對石化資源的依賴，推動(dòng)生物基產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，歐盟的《歐洲綠色協(xié)議》也將生物制造列為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可再生能源的重要組成部分。通過政策的引導(dǎo)與技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)合，生物制造正在成為構(gòu)建未來新質(zhì)生產(chǎn)力的核心力量之一，促進(jìn)了從傳統(tǒng)化石燃料到可再生碳資源(如二氧化碳、生物質(zhì)等)的轉(zhuǎn)型，為全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。本文將從生物制造原料的開發(fā)與利用、高附加值產(chǎn)品的生物制造進(jìn)展、生物制造催化劑的創(chuàng)新以及其在合成生物學(xué)的突破等方面，闡述本期生物制造專輯的主要內(nèi)容。

　　1 生物制造原料的開發(fā)與利用

　　可再生碳原料的開發(fā)和利用是生物制造中最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境可持續(xù)性。近年來，生物制造原料的來源越來越多元化，從傳統(tǒng)的淀粉糖與蔗糖到非糧生物質(zhì)資源到一碳化合物(如二氧化碳、甲醇、甲烷、合成氣等)等。柴猛等的綜述指出，木質(zhì)纖維素是地球上儲量最豐富的可再生資源之一，其年產(chǎn)量達(dá) 1800 億噸。而通過生物轉(zhuǎn)化的方式，將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為多種有機(jī)酸和生物基材料，是發(fā)展綠色生物制造的理想途徑。這類有機(jī)酸(如丁二酸、3 - 羥基丙酸等)是生產(chǎn)生物基塑料和生物降解材料的關(guān)鍵單體，在應(yīng)對全球塑料污染和減少對石化資源依賴方面具有重要意義。木質(zhì)素是木質(zhì)纖維素的一個(gè)主要成分，其年產(chǎn)量大約 200 億噸。劉寬慶等通過總結(jié)生物利用木質(zhì)素的反應(yīng)機(jī)制以及利用合成生物學(xué)手段構(gòu)建細(xì)胞工廠以實(shí)現(xiàn)高效木質(zhì)素利用，對未來發(fā)展進(jìn)行了展望。幾丁質(zhì)是另外一種在地球上廣泛分布的含氮多糖資源，由 N - 乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)通過 β - 1,4 - 糖苷鍵構(gòu)成的高分子聚合物，主要來源于蝦蟹殼和昆蟲外骨骼。因其含量巨大，可再生，含有珍貴的氮元素，對其進(jìn)行資源化利用不僅能夠解決生物降解難題，還為化工和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域提供了新資源。張阿磊等系統(tǒng)介紹了自然界中存在的可降解幾丁質(zhì)的關(guān)鍵酶及其催化機(jī)制，以及在幾丁質(zhì)降解過程中遇到的挑戰(zhàn)。近年來二氧化碳的資源化利用越來越受到重視，趙亮等強(qiáng)調(diào)一碳化合物(如CO2​、CO、CH4​等)是一類具有廣泛來源、價(jià)格低廉的原料，通過代謝工程手段將其高效轉(zhuǎn)化為油脂和單細(xì)胞蛋白，可以有效緩解對化石資源和糧食進(jìn)口的依賴。利用甲基營養(yǎng)型微生物和產(chǎn)乙酸菌等微生物對這些化合物進(jìn)行轉(zhuǎn)化，不僅能減少溫室氣體的排放，還為可持續(xù)化工提供了新路徑。

　　2 高附加值產(chǎn)品的生物制造進(jìn)展

　　高附加值產(chǎn)品的生物制造是生物制造領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向，近年來在多個(gè)重要化學(xué)品領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。除了手性氨基酸和聚酰胺材料的生物合成，二元醇以及草銨膦的生物合成也是近年來備受關(guān)注的領(lǐng)域，它們在高分子材料、日化品、汽車等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

　　手性氨基酸是食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的核心原料，王子淵等介紹了通過酶促合成技術(shù)，顯著提高了手性氨基酸的合成效率和對映選擇性。通過對轉(zhuǎn)氨酶和脫氫酶等關(guān)鍵酶的優(yōu)化，這些合成途徑能夠在溫和條件下進(jìn)行，降低了生產(chǎn)成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。隨著塑料污染問題日益嚴(yán)重，生物基材料的開發(fā)成為了解決這一問題的重要途徑。通過木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化，可以高效生產(chǎn)多種有機(jī)酸，如丁二酸、3 - 羥基丙酸等，這些有機(jī)酸是制備生物基塑料的重要單體。同時(shí)，劉益寧等介紹了 ω - 氨基酸和內(nèi)酰胺的生物合成研究為聚酰胺(尼龍)等高分子材料的綠色制造提供了新的可能。二元醇是一類重要的化學(xué)品，在高分子材料、化妝品、燃料和制藥行業(yè)中廣泛應(yīng)用。竺方歡等提出，二元醇的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝依賴于化石資源，具有較大的環(huán)境負(fù)擔(dān)。然而，通過代謝工程和合成生物技術(shù)，研究人員開發(fā)了多種非天然的代謝途徑，使得C2​至Cs​鏈長的二元醇得以通過微生物高效生物合成。

　　例如，1,3 - 丙二醇(PDO)和 1,4 丁二醇(BDO)等二元醇已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，這些化合物在塑料和高分子材料領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。通過非傳統(tǒng)碳源(如木質(zhì)纖維素)的利用，生物合成二元醇的技術(shù)為替代傳統(tǒng)化石資源提供了可行方案。PDO 是生產(chǎn)聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)纖維的重要單體，廣泛應(yīng)用于紡織、汽車等領(lǐng)域。劉建明等綜述中指出，利用巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)作為底盤細(xì)胞，通過代謝工程和菌種進(jìn)化，可以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn) PDO。通過基因工程改造，研究者優(yōu)化了巴氏梭菌的甘油代謝途徑，大幅提高了 PDO 的產(chǎn)量。此外，電輔助發(fā)酵技術(shù)的引入也顯著提高了 PDO 的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品純度。PDO 的生物合成為化工行業(yè)提供了一種綠色、低成本的生產(chǎn)途徑，減少了對化石資源的依賴，同時(shí)降低了生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物和碳排放。草銨膦是全球三大除草劑之一，具有優(yōu)秀的市場前景，其除草活性主要來自于其中的 L 型對映體(L - 草銨膦)。程峰等開發(fā)了 “生物高純精草生產(chǎn)技術(shù)”，建成了 L - 草銨膦數(shù)字智能化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了萬噸級 L - 草銨膦的生物智能制造。

　　3 生物制造催化劑：酶分子、多酶機(jī)器與細(xì)胞工廠

　　生物催化劑在生物制造中占據(jù)核心地位，催化劑的效率和穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。近年來，通過合成生物學(xué)和代謝工程，酶分子、多酶機(jī)器和微生物細(xì)胞工廠的設(shè)計(jì)與優(yōu)化取得了重大進(jìn)展。李怡霏等在綜述中強(qiáng)調(diào)了，氫酶作為生物制氫的關(guān)鍵酶，在體外多酶分子機(jī)器的應(yīng)用中大幅提高了氫氣的產(chǎn)量。通過構(gòu)建多酶催化系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)突破了傳統(tǒng)微生物發(fā)酵的 Thauer 極限，利用葡萄糖的化學(xué)能裂解水產(chǎn)氫的轉(zhuǎn)化率提高至接近化學(xué)理論值(即 1 mol 葡萄糖加上水生產(chǎn) 12 mol 氫氣，是微生物暗發(fā)酵制氫得率的 3 倍)。氫酶的高效表達(dá)和催化性能優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)綠色氫能制造的重要技術(shù)突破。而游離的氫酶存在著對氧氣敏感、傳遞電子速率慢等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中還具有很大挑戰(zhàn)，雷航彬等采用高分子和金屬 - 有機(jī)框架材料(MOF)固定化氫化酶，可以有效提高其活性和穩(wěn)定性，對未來氫化酶在制備氫氣、生物電催化、生物燃料電池以及電化學(xué)傳感器等方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望。過氧化物酶在環(huán)境修復(fù)、化合物檢測和合成化學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。

　　李庚等通過重組表達(dá)技術(shù)優(yōu)化了過氧化物酶的催化活性和穩(wěn)定性，使其能夠在復(fù)雜環(huán)境中發(fā)揮作用。這一成果為高效環(huán)境修復(fù)和綠色化學(xué)品制造提供了強(qiáng)有力的工具。體外生物轉(zhuǎn)化(ivBT)技術(shù)是介于酶分子與細(xì)胞工廠的新生物制造平臺，通過體外多酶分子機(jī)器，石婷等實(shí)現(xiàn)了大宗化學(xué)品和新能源產(chǎn)品的高效合成。這種技術(shù)不僅能夠超越細(xì)胞內(nèi)合成效率與速度的限制，而且拓展了生物制造的新應(yīng)用。仿生分區(qū)室固定化多酶是體外合成生物學(xué)的前沿技術(shù)，董玲玲等對近年來仿生分區(qū)室固定化多酶體系的進(jìn)展進(jìn)行了綜述，包括載體材料、載體設(shè)計(jì)，將多酶固定在不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)空間隔離和反應(yīng)條件優(yōu)化，對提高多酶偶聯(lián)反應(yīng)的效率、選擇性以及產(chǎn)率具有重要意義。趙亮等通過代謝工程和合成生物技術(shù)，將微生物改造成能夠高效利用一碳化合物的工廠。

　　這種方法使得油脂和單細(xì)胞蛋白的產(chǎn)量顯著提高，為未來的綠色食品和燃料生產(chǎn)提供了全新的可能性。合成生物學(xué)在推動(dòng)代謝途徑優(yōu)化和酶元件設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了重要作用，極大提升了生物制造的效率。傳統(tǒng)的生物制造基于模式微生物底盤細(xì)胞，存在易污染、滅菌流程復(fù)雜、工藝不連續(xù)、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等諸多難點(diǎn)。與之相比，運(yùn)用極端微生物(鹽單胞菌、嗜熱細(xì)菌)作為新的底盤菌模塊巧妙地化解了傳統(tǒng)生物制造面臨的困境。邵明威等對目前已被廣泛應(yīng)用的多種極端微生物的特點(diǎn)進(jìn)行了綜述，對下一代生物制造所面臨的機(jī)遇及挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

　　生物制造技術(shù)作為一種綠色、可持續(xù)的生產(chǎn)方式，通過對微生物和酶等生物催化劑的精確設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從低價(jià)值原料到高附加值產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，減少對化石資源的依賴并降低環(huán)境污染，日益成為全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。依托合成生物學(xué)、代謝工程和生物催化等技術(shù)，張以恒提出中國古代哲學(xué) “道法術(shù)器” 是戰(zhàn)略思維在生物制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用，頂層設(shè)計(jì)優(yōu)先，先確定生物制造的 “道” 與 “法”，將有限研發(fā)資源放到正確道路，再利用和開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，將大大提高創(chuàng)新技術(shù)向產(chǎn)業(yè)實(shí)施轉(zhuǎn)化的成功率。生物制造不僅在技術(shù)上推動(dòng)了生產(chǎn)效率的提升，還在全球可持續(xù)發(fā)展中具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。它為應(yīng)對氣候變化、減少碳排放以及緩解資源緊張問題提供了切實(shí)可行的解決方案。

劉建明;張以恒;曾安平,西湖大學(xué)合成生物學(xué)與生物智造中心;浙江省全省智能低碳生物合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所低碳合成工程生物學(xué)(全國)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所體外合成生物學(xué)中心;國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心;西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心,202406