甲基营养型大肠杆菌构建策略的研究进展

利用微生物细胞工厂实现原料转化和产品合成是绿色生物制造的核心。然而,当前生物制造仍以富含糖类的谷物粮食为主要原料,存在“与民争粮”的争议,亟需开发非粮原料。甲醇作为煤化工产业中的重要产品,具有来源广、价格低、还原性强等优势,有替代粮食原料的潜力。天然甲基营养菌可利用甲醇生产单细胞蛋白和各种氨基酸,但存在理论收率低、遗传改造工具不足等缺点。随着合成生物学的发展,以大肠杆菌等模式生物作为底盘细胞构建人工甲基营养菌,实现甲醇到各种化学品的生产已成为研究热点。本文总结了多种甲基营养型大肠杆菌的构建策略,明确了影响天然路径代谢的关键因素与代谢过程中的重要中间产物,概括了各种天然路径在大肠杆菌中的优化策略与人工新路径的构建方法,并对工程菌株的优化提出了展望。     

面向资源与环境的生物基化学品技术创新与展望

生物基化学品是以可再生的生物质为原料,以生物细胞或酶蛋白为催化剂合成的产品。由于摆脱了对化石原料的依赖,同时避免了石油基产品制备过程的高能耗高污染,为了资源和环境的绿色、可持续发展,以可再生的生物质资源为原料,以生物转化技术制备化学品是未来发展的主要趋势。本文对目前国内外生物基化学品研发及生产概况进行综述,预测生物基化学品制造业将朝着为原料多元化、生物转化过程高效化、产品高值化的方向发展,针对生物转化过程高效化的关键科学问题进行深入探讨,提出生物学科与其他学科交叉融合是生物基化学品制造技术未来的发展方向,包括生物技术自身融合、生物与化工技术融合及生物与过程控制技术融合。     

合成生物学研究进展

合成生物学是以工程化设计思路,构建标准化的元器件和模块,改造已存在的天然系统或者从头合成全新的人工生命体系,实现在化学品合成(包括材料、能源和天然化合物)、医学、农业、环境等领域的应用。人们利用基本的生物学元件设计和构建了基因开关、振荡器、放大器、逻辑门、计数器等合成器件,实现对生命系统的重新编程并执行特殊功能。模块化处理生物的代谢途径,并在底盘细胞上进行组装和优化,可以实现大宗化学品和精细化学品的合成。目前人们已经在丁醇、异丁醇、青蒿素和紫杉醇等化合物的生物合成上取得了重要进展。近年来还发展了多种基因组编辑和组装技术,可精确地对基因组进行编辑,人们还成功地合成了噬菌体基因组、支原体基因组和酵母基因组。在未来的50～100年内,合成生物学将对人类的医疗、化学品制造(含药品)、军事产生渐进性的、渗透性的但颠覆性的意义。     

代谢工程改造微生物合成生物基单体的进展与挑战

单体是合成聚合物所用的小分子基础原料,目前主要来源于化石燃料。利用微生物制备生物基单体具有生产条件温和、环境友好、可持续的优势,是实现高分子材料行业绿色制造的重要途径。借助代谢工程和合成生物学元件,目前已经实现了多种单体的微生物制造,然而与石油基生产工艺相比,这些单体微生物细胞工厂的生产性能普遍较低。围绕代谢工程改造微生物合成生物基单体过程中存在的瓶颈问题,本文基于具体案例分析,从廉价底物的高效利用、提高生物基单体合成效率、强化细胞环境耐受性三个方面,总结了改造微生物合成单体的最新研究进展。同时,讨论了单体微生物细胞工厂目前存在的挑战和未来发展方向。     

基于系统生物学和合成生物学的重要平台化学品生物制造的研究进展

基于生物质资源的平台化学品制造,是解决目前石化资源枯竭和环境问题的重要措施,对经济社会的可持续发展具有重要意义。本文主要介绍了系统生物学和合成生物学在有机酸(琥珀酸、富马酸、L-苹果酸、葡萄糖二酸、丙酮酸、苯丙酮酸、α-酮戊二酸)以及其他平台化学品(2,5-呋喃二甲酸)生物制造中的应用,并展望了生物制造在平台化学品生产中的未来发展方向。     

加快推进绿色生物制造 助力实现“碳中和”

首先分别从全球新一轮科技革命和产业变革战略、我国化工制造模式变革、实现“碳中和”、实现农业工业化的角度,阐述了绿色生物制造的涵义与意义;其次,对我国生物制造产业发展现状、战略需求进行了分析,文章指出我国生物制造产业虽然起步较晚,但近年来发展迅速,在生物发酵、生物基产品和生物质能等领域形成了一定基础,但是核心层仍然存在短板,表现为关键核心技术和前瞻技术储备不足、核心装备研发落后、市场化程度低、竞争力不足;最后,文章对未来生物制造发展的重点方向与路径提出了相关建议,具体包括推进原料体系多元化战略、建立先进生物制造技术体系。文章指出加快从基因组到工业合成技术、装备突破,支撑生物基化学品、生物基材料、生物能源等重大产品的绿色生产,以生物制造推动“农业工业化、工业绿色化、产业国际化”,对于我国走新型工业化道路,实现财富绿色增长和社会经济可持续发展具有重大战略意义。     

微生物制造绿色化学品研究进展

微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产，显示出了巨大的二氧化碳减排潜力，是促进实现“碳中和”目标的重要途径，其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢流分析和代谢途径预测研究进展；介绍了新型基因组编辑工具助力微生物细胞工厂的高效开发；总结了代谢调控策略用于提升细胞工厂生产能力。此外，还概述了微生物制造关键技术在第三代生物制造中的应用。最后，展望了未来微生物制造在化学品生产中的应用和发展方向。     

生物制造过程中的微生物生长与调控

提高生物基产品的产量和生产效率是生物制造发展的目标。由于微生物具有生长快、营养要求简单和基因操作简便等特点,常用作生物基产品制造过程中的底盘宿主,因此,产品制造过程中微生物细胞的生长与调控尤为重要,其生长调控会直接或间接地影响生物基产品的合成效率。微生物的生长不仅受外界环境如温度、溶氧量、pH等的影响,而且还受微生物本身的生长与调控机制如细胞分裂调控、必需基因表达调控、程序化死亡等的影响。本文综述了利用分子生物学、合成生物学和系统生物学等方法对微生物细胞生长和分裂过程进行分子调控,以提高生物反应速率和目标产物的产量,为化工、食品、生物医药以及环境保护等领域构建高效的生物制造工艺提供新思路。     

以CO2为原料的绿色生物制造

温室气体积累而导致的全球性气候变化引起了人们的广泛重视,因此科学家通过不同的方法在CO₂固定方面进行了诸多的探索与研究,例如化学转化、酶催化及微生物转化等。而微生物的多功能性使得其具有将生物质、生物废物和二氧化碳作为原料来生产生物燃料及化学品等物质的优点。本文对天然存在于微生物体内的、可以固定CO₂的途径进行了一定总结,并主要阐述了利用生物法或生物电化学法等方法将二氧化碳绿色地转化为化学品或生物质能源的相关工作。另外,对以粮食为原料的第一代生物制造以及以非粮食的生物质为原料的第二代生物制造方法及效果进行了评价,同时提出了以CO₂为原料的第三代绿色生物制造的概念。最后预测了在利用二氧化碳进行生物转化的未来发展中所需的关键技术与发展走势。     

放线菌聚酮类化合物的合成生物学研究及生物制造

聚酮化合物具有广泛的药用活性和极高的经济价值,但如何高效、经济、绿色、环保地合成聚酮化合物是目前急需解决的问题。随着合成生物学的发展及分子生物学技术的进步,不断有新的技术和策略被用于聚酮化合物的生物制造。本文介绍了聚酮化合物生物制造中的关键酶、前体物质及代谢途径等,分析了通过CRISPR技术及翻译后修饰代谢工程优化代谢调控网络;通过替换及优化启动子等手段改造与优化代谢途径;通过构建简单、高效的异源表达系统等策略提高聚酮化合物的生物制造效率等。在此基础上对红霉素、阿维菌素、多杀菌素的合成生物学研究的最新进展进行了总结,进而对当前聚酮化合物生物制造面临的产量及效率低下等问题和可能的解决途径,如平衡初级代谢与次级代谢,构建新型、优势底盘细胞及代谢网络的重新设计与改造等进行了展望。     

Efficient production of chemicals from microorganism by metabolic engineering and synthetic biology

The use of traditional chemical catalysis to produce chemicals has a series of drawbacks, such as high dependence on fossil resources, high energy consumption, and environmental pollution. With the development of synthetic biology and metabolic engineering, the use of renewable biomass raw materials for chemicals synthesis by constructing efficient microbial cell factories is a green way to replace traditional chemical catalysis and traditional microbial fermentation. This review mainly summarizes several types of bulk chemicals and high value-added chemicals using metabolic engineering and synthetic biology strategies to achieve efficient microbial production. In addition, this review also summarizes several strategies for effectively regulating microbial cell metabolism. These strategies can achieve the coupling balance of material and energy by regulating intracellular material metabolism or energy metabolism, and promote the efficient production of target chemicals by microorganisms.     

A future perspective on the role of industrial biotechnology for chemicals production

The development of recombinant DNA technology, the need for renewable raw materials and a green, sustainable profile for future chemical processes have been major drivers in the implementation of industrial biotechnology. The use of industrial biotechnology for the production of chemicals is well established in the pharmaceutical industry but is moving down the value chain toward bulk chemicals. Chemical engineers will have an essential role in the development of new processes where the need is for new design methods for effective implementation, just as much as new technology. Most interesting is that the design of these processes relies on an integrated approach of biocatalyst and process engineering.     

绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进性分析

近几年我国经济水平不断发展,科学技术得以广泛应用,随之而来的是由于化学发展而引起的环境污染问题。通过分析化学研究过程中发生的化学反应以及现象都是未知性的,所以在化学反应中可能会对人类以及环境产生有害的物质,要想有效减少危害物质的发生,必须要发展绿色化学工程以及相关工艺,这也是当前化学研究工作者急需解决的重点问题。所以必须要构建绿色化学,能够从源头上控制化学反应中的原料,使用应用无害反应物以及溶剂、催化剂等,能够有效减少对不可再生资源的使用量,通过提出绿色化学工程概念,一定程度上的缓解了化工材料对于生态环境的污染,切实提高了化学工业的能源利用效率。分析了探究绿色工艺以及绿色化学的主要操作工艺,并提出绿色化学工程与工艺对节能降耗产生的积极作用。     

绿色过程系统工程

发展从源头消除污染的绿色技术是过程工业可持续发展的必然要求,任何单元技术的突破对过程工程的绿色化都是不可或缺的。然而过程工程是一个系统科学,不仅要考虑单个技术,重点还要考虑从原料替代、介质创新到单元强化及系统集成的整个链条,归根到底是要通过新介质(如催化剂、溶剂等)的原始创新和新工艺集成创新实现过程工业的绿色化。基于系统论的科学思想综合考虑过程工程这一复杂大系统,以离子液体介质创新为核心,综述了在原料替代、新型介质设计、传递规律、系统集成方面的新进展,以期为绿色化工技术的发展提供重要的科学基础。     

合成生物系统构建与绿色生物“智”造

微生物细胞工厂生产化学品是解决能源和环境问题的有效方式之一。越来越多的化合物可通过合成生物系统实现在微生物中的合成,但菌株的生产能力和鲁棒性仍需进一步提高。提高细胞工厂的智能化,实现生物"智"造过程,将是解决菌株发酵生产能力不足和鲁棒性差的重要途径。本文从蛋白质设计的智能化、生物传感器的智能化、代谢调控的智能化、菌株进化的智能化以及发酵过程智能化等五个层面对生物"智"造的研究现状进行介绍。生物"智"造的发展将为提高工业生物过程的生产水平和过程节能减排做出重要贡献。     

石油化工技术发展趋势初探

综述了中国石化工业的现状和主要技术进展，分析了中国石化工业面临的机遇和挑战，阐述了包括基本有机原料、合成树脂、合成纤维、合成橡胶、精细化工、绿色化学技术和信息技术应用等在内的石油化工技术的发展趋势。     

Synthetic biological system construction and green intelligent biological manufacturing

The production of chemicals in microbial cell factories is one of the effective ways to solve energy and environmental problems. Many chemical products have been produced by synthetic biology, but production ability and robustness of the strains still needs to been improved. Development of intelligent cell factory and realizing intelligent biological manufacturing is an important approach to improve the production and robustness. This review introduces the research status of intelligent biological manufacturing from five following aspects: protein design, biosensor, metabolism regulation, strain evolution and fermentation process. The development of biological “intelligence” will make an important contribution to improving the production level of industrial biological processes and process energy saving and emission reduction.