驱动可持续能源解决方案

能源是人类社会发展的基础和动力，关系到国计民生和国家安全。能源安全是关系经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。

 

作为人类生存和发展的重要物质基础，煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明进步和经济社会发展。然而，化石能源的不可再生性和巨大消耗，导致其逐渐走向枯竭。

 

生物能源在增加能源与资源供给、改善生态环境、支撑碳中和目标实现等方面有着其他可再生能源不可替代的显著优势。合成生物学研究在生物能源研发方面具有重要的应用价值和广阔的发展空间，在生物质原料的生产与转化、生物催化剂和细胞工厂的设计与构建等方面已得到广泛应用，进而有助于解决生物能源的关键研发问题。

 

1. 原料供应

 

植物和藻类等光合生物通过光合作用固定二氧化碳合成生物质。

 

生物质通过生物/化学催化与转化生成可供微生物利用的糖原料，再进一步通过微生物细胞工厂的转化生成生物燃料产品。自然界中还存在能够直接利用一碳化合物（二氧化碳、一氧化碳、甲醇等）合成生物能源产品的微生物（Jiang et al.，2021）。

 

通过合成生物学技术改造能源生物，可以显著提高从二氧化碳到生物质、从生物质到糖，以及从糖到生物能源产品等各个环节的转化效率。

 

 

2. 原料-产品转化

 

酵母可以利用不同来源的糖原料合成乙醇。

 

酿酒酵母由于具有一般公认安全（ generally recognized as safe， GRAS）、遗传背景清晰、遗传操作成熟及较好的环境胁迫耐受性等优点，已成为重要的乙醇细胞工厂（ Favaro et al.， 2019）。由于无法直接分解淀粉，酿酒酵母乙醇生产通常需要采用先糖化后发酵的方式。以木质纤维素作为原料，酿酒酵母只能够利用水解液中葡萄糖，无法利用木糖。而且，工业发酵过程中，酿酒酵母需要面对高温、高渗透压和高乙醇浓度等多种环境因素的胁迫。

 

利用合成生物学方法，结合功能基因组的研究对酿酒酵母细胞工厂的功能进行优化，可以提高目标代谢物的合成效率，扩展其代谢能力，保证细胞在工业生产的胁迫环境条件下具有较好的活性。

 

3. 一碳资源利用

 

包括二氧化碳、 一氧化碳、 甲醇在内的一碳化合物是生物制造行业的理想原料，因具有来源广泛、制备容易、价格低廉的特点而受到广泛关注。合成生物学的发展有力地促进了利用一碳化合物的微生物细胞工厂的构建。

 

合成气是一种主要成分包含一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合气体。其来源非常广泛，包括化石燃料的不完全燃烧、植物生物质或生活废物的气化，以及炼钢等工业生产活动。利用合成气的梭菌（又称食气梭菌）是产乙酸细菌中的重要类群，尤其是永达尔梭菌（ Clostridium ljungdahlii）、自产醇梭菌（ Clostridiumautoethanogenum）等菌株是目前合成气发酵中研究较多的。乙酸和乙醇是大部分食气梭菌的主要发酵产物，另有一些食气梭菌还可在含一碳气体的生长条件下合成乳酸、丁醇、 2,3-丁二醇等高值化合物，具有良好的工业应用前景。