化學品綠色制造核心技術——合成生物學

肖文海，王穎，元英進

（1天津大學系統生物工程教育部重點實驗室，天津 300072；2天津化學化工協同創新中心合成生物學平臺，天津 300072）

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化學品綠色制造核心技術——合成生物學

肖文海1,2，王穎1,2，元英進1,2

（1天津大學系統生物工程教育部重點實驗室，天津 300072；2天津化學化工協同創新中心合成生物學平臺，天津 300072）

摘要：合成生物學即生物學的工程化，因其打破了非生命化學物質和生命物質之間的界線，推動了生命科學由理解生命到創造生命的革新，因此對科學發展和技術創新起到了顛覆性作用，引發了化學品綠色制造的巨大變革。合成生物學作為化學品綠色制造的核心技術，主要從原料到菌種再到過程進行全鏈條設計和優化。本文首先從原料多樣化、產品的合成與底盤細胞的選擇這三個方面，綜述了化學品綠色制造過程中合成生物學所起到的關鍵核心作用。在此基礎上系統闡述了人工體系的設計與構建，并對今后如何通過發展合成生物學來促進化學品綠色制造，從“原料、底盤細胞、反應過程”這三個方面提出了相應的展望。

關鍵詞：合成生物學；化學品制造；生物能源；藥物；原料；底盤細胞；生物過程

1 合成生物學的顛覆性特征及對化　　學品綠色制造的影響

圖1 合成生物學對科學發展與技術創新的顛覆性影響Fig.1 A disruptive role played by synthetic biology in development of science and technology

合成生物學，即生物學的工程化。該技術突破自然進化的限制，以“人工設計與編寫基因組”為核心，可針對特定需求從工程學角度設計構建元器件或模塊。通過這些元器件對現有自然生物體系進行改造和優化，或者設計合成全新可控運行的人工生物體系[1-7]。合成生物學是“自下而上”的研究體系，對科學發展產生了革命性和顛覆性影響（圖1）。一方面，合成生物學打破了非生命化學物質和生命物質之間的界線。該技術以“工程化設計與模塊化制造”為導向，從脫氧核苷酸出發，經DNA小片段到DNA大片段乃至到整個基因組，從單一零散的元器件到功能模塊再到整個生命系統網絡，“自下而上”地逐級構筑生命活動，實現從非生命物質到生命體系的跨越[8-10]。另一方面，合成生物學革新了當前生命科學的研究模式。從以DNA雙螺旋結構的發現和“遺傳中心法則”的提出為代表的生物學第一次革命，到以測序技術的發明和“人類基因組”計劃的誕生為標志的生物學第二次革命，整個生物學研究體系一直延續“從整體到局部”、“自上而下”、逐級深入的研究模式。盡管這種研究模式促進人們逐步理解微觀生物分子（DNA、RNA、蛋白質、代謝物）之間的相互作用以及這些分子與生物功能的內在聯系，但依舊難以解析生物體內協調有序的運行模式和生物由簡單到復雜的進化歷程。代表了生物學第三次革命的合成生物學應運而生，提出了“從局部到整體”、“自下而上”的研究思路，即通過構建人工生物系統，總結人造生命設計構建的原理和規律，以一個全新的視野角度，對天然生物系統的工作原理和運行規律，乃至生物起源進化、生物結構和生物功能等生物學重大基本問題進行研究和解析。因此，合成生物學實現了生命科學由理解生命到創造生命的革新，而生命科學從讀取自然生命信息發展到寫出人工生命信息的時代。

合成生物學從起初的概念驗證階段（大規模合成、編輯基因組和生物學研究工程化）發展到目前對化學品綠色制造的促進階段。世界各國政府和權威評估機構日益關注和重視合成生物學及其對生產大宗化學品、精細化學品以及高附加值的生物醫藥產品的推動作用（圖1）[11]。麥肯錫研究所和達沃斯論壇將合成生物學定為顛覆性技術，預測該技術將驅動相關市場和全球經濟的革命性發展。2014年5月美國國防部將合成生物學技術列為21世紀優先發展的六大顛覆性技術之一[12]；2013年美國能源部對美國國會發表合成生物學國會報告[13]；2015年美國發布了《生物技術工業化：化學品先進制造路線圖》，將合成生物學列為核心發展技術[14]。麥肯錫全球研究所發布的研究報告將合成生物學評價為未來的十二大顛覆性技術之一，預測2025年合成生物學和工業生物技術產值將達到1000億美元左右[15]。英國商業創新技能部將合成生物學列為未來的八大技術之一，預測2020年合成生物學產業規模將達620億英鎊[16]。

合成生物學的顛覆性已經引發以“設計-構建-檢驗”循環為特征的產業革命。2015年美國發布了《生物技術工業化：化學品先進制造路線圖》，化學品的先進制造受到越來越多的關注。化學品制造已經開始原料路線由化石資源向可再生生物資源轉移、加工路線由化學制造向生物制造轉移的變革。高能耗、高污染、大規模的傳統化學品制造工業已經不能適應社會發展的需要。2015年5月8日，我國國務院發布《中國制造2025》，這是中國版的“工業4.0”規劃。該規劃在生物醫藥重點領域提出了“全面推進綠色制造”的重點任務，將努力構建“高效、清潔、低碳、循環”的綠色制造體系。而利用合成生物學設計、構建化學品合成人工生物體系，同時可以高效利用傳統工藝不能利用的生物質資源，尤其是工業、農業、生活廢棄物，降低對化石資源的依賴，減少廢棄物的排放，以利于環境資源的保護。因此，顛覆性的合成生物學必將作為生物經濟發展的新興技術，驅動我國未來化學品先進制造和生物經濟的革命性發展。

2 化學品綠色制造過程中合成生物學的作用

合成生物學是綠色制造的核心，主要從原料到菌種再到過程進行全鏈條設計和優化。不同于傳統微生物發酵生產模式，化學品先進制造并非依賴于對產物天然合成菌株進行優化，而是重新合成全新的人工生物體系，將原料以較高的速率最大限度地轉化為產物[17-18]。整個生產鏈條可分為原料的利用、底盤細胞的選擇和優化以及產品的生產3個部分（圖2）。

圖2 化學品綠色制造過程Fig. 2 Chemicals green manufacturing process

2.1 原料多樣化對合成生物學提出的要求

作為發酵過程中首要元素，碳源是決定化學品生物制造，特別是大宗化學品和生物燃料這類附加值低但市場需求量極大的化合物合成成本的關鍵因素[18]。最為常用的碳源為糖類，特別是葡萄糖。但是淀粉來源糖類的大量使用，引發了“食品與能源”的矛盾，也有成本問題。化學品綠色制造倡導使用農業、工業、林業的副產物或廢棄物，例如纖維素、半纖維素、木質素等。木質纖維素經過物理化學預處理（如稀硫酸、氨氣爆破、蒸汽爆破等）或生物酶（纖維素酶和半纖維素酶等）水解后，產物不僅有葡萄糖、甘露糖、半乳糖等六碳糖，還有木糖、阿拉伯糖等五碳糖，水解液中還含有多種毒性副產物（如乙酸、糠醛、酚類等）。因此，應用于化學品生物制造的底盤細胞必須兼具同時高效利用五碳糖和六碳糖的能力以及對復合抑制劑的耐受能力。Jin 等[19]將五碳糖、六碳糖利用和乙酸還原路徑一起整合到釀酒酵母細胞中，實現了纖維二糖、木糖和乙酸的同時利用來生產乙醇，這為最終實現木質纖維素的利用打下了良好的基礎。此外，還可以通過人工構建混菌培養體系來實現五碳糖和六碳糖的協同利用[20]。在如何提高底盤細胞對抑制劑的耐受方面，對抑制劑耐受機制的解析和功能模塊的抽提是目前研究的主要方向。例如Sa-Correia等[21]通過篩選釀酒酵母單基因敲除突變庫發現一些轉錄調控因子以及鉀離子、葡萄糖等物質的跨膜轉運系統可顯著影響釀酒酵母對乙酸的耐受性，但與乙酸耐受直接相關的基因仍需進一步解析。

大氣層中含量最豐富碳氫化合物甲烷和溫室氣體的主要成分CO2及其衍生物甲醇、合成氣、甲酸等C1原料也是化學品制造的重要原料來源。光合自養型微生物可直接利用光能固定CO2，合成糖等有機物。例如，可以利用藍細菌以CO2為底物，通過光合發酵合成甘油三脂[22]。甲烷短桿菌屬、甲烷球菌屬、甲烷微菌屬和甲烷八疊球菌屬的微生物可固定CO2合成甲烷。但該反應需在厭氧條件下進行，并需要氫氣等強還原氣體[23-24]。以甲烷單加氧酶為特征酶的甲烷氧化菌，可將甲烷依次氧化生成甲醇、甲醛、甲酸和CO2。中間代謝產物甲醛可通過磷酸戊糖途徑或絲氨酸途徑進入同化代謝途徑，合成乙酰-CoA等重要中心代謝產物[25]。甲烷氧化菌在營養物質供應不均衡時可以合成聚羥基脂肪酸（可降解塑料）[26-28]。因此，甲烷氧化菌是一種適用于能源及可降解塑料生產的底盤菌株。若要在化學品生物制造中有效利用CO2、甲烷等C1原料，一方面需要對可利用天然C1原料的微生物進行實驗室馴化，有針對性地開發遺傳操作系統和合成生物學相關技術平臺；另一方面，需針對常用底盤細胞，研究C1原料利用最小模塊。例如在分析天然光合作用的基礎上，設計、構建最小CO2固定模塊，以期通過模擬并改造光合作用固碳過程，利用CO2和太陽能合成產品[18]。

2.2 通過合成生物學技術生產的重大產品

作為化學品綠色制造的核心技術，合成生物學已經廣泛應用于各類化學品的生產中，如大宗化學品、生物能源、食品添加劑和生物醫藥等。與傳統的化學合成以及代謝工程技術相比，在化學品制造領域，合成生物學技術在非天然分子生物合成、新的代謝通路的創建和代謝路徑異源構建方面有著特有的優勢。

① 合成生物學可以通過不同生物來源的元件和模塊的設計和組合，合成非天然分子。Zhang等[29]通過在大腸桿菌體內人工構建非天然分子β-甲基-δ-戊內酯的合成代謝通路，即在甲羥戊酸代謝途徑的基礎上引入了來自煙曲霉的乙酰-CoA連接酶編碼基因sidI和烯酰-CoA水合酶編碼基因sidH以及酵母來源的烯醇還原酶編碼基因oye2，實現β-甲基-δ-戊內酯的生物合成。該非天然分子經過后續的化學修飾和聚合能夠形成一種較聚乙烯、聚苯乙烯彈性更佳的新型材料[29]。

② 合成生物學根據工程學和反應的原理，可以人工設計非天然存在的代謝路徑，進而合成所需目標產物或者實現特定的功能。Zhao等[30]在大腸桿菌中引入了來源于戊糖乳桿菌的乳酸脫氫酶編碼基因d-ldh和大腸桿菌內源羥化酶混合物編碼基因hpaBC，成功創建了從酪氨酸到丹參酸A的非天然代謝通路，并且通過上調丹參酸A合成模塊的表達量以及阻斷競爭代謝通路，最終使丹參酸A的產量達到7.1 g·L-1。Toshiaki等[31]通過在羅爾斯通氏菌中同時引入丁烯醇-CoA羧化酶編碼基因ccr、中等長度碳鏈烯酰-CoA水合酶編碼基因 phaJ4a以及丙二酸單乙酯酰-CoA脫羧酶編碼基因emd，人工構建了從果糖到聚(R)3-羥基丁酸-(R)3-羥基己酸[poly((R)-3-hydroxybutyrate-co-(R)-3-hydroxyhexanoate)，P(3HB-co-3HHx)]的代謝途徑，最終獲得了可以生產富含C6單體（HHx）的菌株。

③ 合成生物學可以在改造和優化天然表達體系的同時，將動物源和植物源的代謝路徑構建到微生物體系中，最終實現目標代謝物的異源表達。Ajikumar等[32]在大腸桿菌中構建了來自于植物紅豆杉中的紫杉二烯合成途徑，并通過模塊調諧使紫杉二烯的產量提高了6000倍。Leonard等[33]通過合成生物學技術將來自銀杏樹中的左旋海松二烯合成途徑成功構建在大腸桿菌中，并且通過與蛋白質工程相結合的底盤菌株優化，使目標產物的產量達到約800 mg·L-1。2003年，法國國家科學研究所分子遺傳學中心的Denis Pompon與Transgene 公司合作研究，通過引入哺乳動物蛋白源蛋白 matP450scc (CYP11A1)、matADX、matADR以及線粒體靶向的ADX、CYP11B1、3βHSD、CYP17A1和CYP21A1,首次實現了釀酒酵母中氫化可的松的全生物異源合成[34]。

在化學品制造領域，合成生物學在不斷創造新分子、創建新的代謝通路以及豐富可異源表達的化學品種類的同時，對相應化學品的產業化也有著極大的促進作用，已經有很多項目達到或者接近產業化水平[18]。表1中列出目前有代表性的一些生物制造化學品及其生產公司和研發現狀。這些產品包括市場需求大的生物燃料（例如生物柴油、生物航空燃油、丁醇、異丁醇）和大眾化學品（例如1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、聚羥基脂肪酸酯、丁二烯），也包括高附加值的食品添加劑（例如瓦倫烯、諾卡酮、香豆素、白藜蘆醇、藏紅花素、甜菊糖）和藥物（青蒿素、頭孢氨芐、糖尿病治療藥物EV-077、抗生素EV-035）。其中，1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、異丁醇、生物柴油和生物航空燃油、瓦倫烯、諾卡酮、香豆素、青蒿素、頭孢氨芐等產品項目已經達到商業化規模，進入實際投產階段（表1）。

表1 化學品合成生物制造示例Table 1 Examples of chemicals bio-manufacturing

2.3 底盤細胞的選擇和優化

在合成生物學的推動下，人工細胞將逐步取代目標產物天然合成菌株，成為化學品生物制造鏈條的核心。根據特定需求（例如底物、產品、生產過程等）設計的人工細胞，是實現化學品先進制造“能效提升、清潔生產、循環利用”的基礎。由于具備安全性、魯棒性（遺傳穩定性和性狀穩定性）、適于高密度發酵、遺傳背景清晰、基因操作體系成熟等特點，大腸桿菌、釀酒酵母等模式微生物常被用來構建用于化學品綠色制造的底盤細胞。不同的宿主系統由于其自身的特性，往往偏好于合成某一類產物[35]。以大腸桿菌和釀酒酵母為例。盡管大腸桿菌適合于合成萜類碳骨架，但由于它在蛋白表達時缺乏后續修飾能力[36]且沒有完善的內膜系統，因此在表達真核細胞來源的蛋白過程中受到限制[37]；而作為真核生物的酵母，具有優于細菌的蛋白表達和修飾能力和內質網膜等完整的內膜系統，更適合作為復雜天然產物異源合成的宿主平臺。例如在青蒿素合成中，釀酒酵母比大腸桿菌能提供更多的前體物質[38]。對于合成生物能源來說，大腸桿菌由于胞內脂肪酸含量高、脂肪酸合成速率高以及可將脂肪酸及其衍生物分泌到胞外的特性，適于合成脂肪酸及其衍生物；而釀酒酵母由于有機溶劑耐受性高、天然具備合成乙醇的能力，適于合成乙醇、丁醇、異丁醇等醇類物質及其衍生物[39]。

底盤菌株若要滿足實際生產的需要，還需具備抗逆性好（耐受滲透壓、pH、溫度、醇、乙酸等）、底物選擇范圍廣等特性，以應對復雜、非理想化的實際生產環境[18]。這些特性一般不是這些模式生物天然具備的，需構建相應的耐受模塊和原料轉運同化模塊導入宿主細胞中予以實現[40]。同時人們還致力于馴化、開發具有高耐受性或特殊原料選擇性（特別是光合自養型和化能自養型生物）的非模式微生物作為宿主菌株，以構建生產特定產品的底盤細胞[22]，發展經濟、綠色、高效、穩定的生產過程。

人工混菌體系也是一類很好的底盤體系。人工混菌體系與單細胞體系相比，尤其是在構建長的代謝通路或者完成更為復雜的功能方面有著如下3個方面的優點：① 混菌體系中細胞間作用關系處于動態平衡，對環境波動更具強的適應性和穩定性；②混菌體系中不同細胞功能分工，適于同時完成多項復雜工作；③ 不同來源、不同功能的元件和模塊可以在不同細胞中構建，既減輕對單細胞底盤的代謝負荷，又便于將功能分區、避免功能間的交叉影響[41]。2015年美國麻省理工學院的Gregory Stephanopoulos教授課題組[42]將萜類代謝途徑構建到大腸桿菌-釀酒酵母的人工混菌體系中，成功實現了抗癌藥物紫杉醇重要前體Taxa-4(20), 11(12)-dien-5alpha-acetoxy-10beta-ol的大量積累，產量達到33 mg·L-1，為最終實現紫杉醇的異源生物合成奠定了堅實的基礎。同時該工作研究者還證明，所構建的混菌體系同樣適用于其他萜類物質的合成，例如合成香料諾卡酮和藥品丹參酮的重要前體鐵銹醇[42]。

3 化學品制造人工體系的設計與構建

在合成生物學“自下而上”的研究策略指導下，化學品制造人工體系將遵循“工程化設計與模塊化制造”的原則，根據理性設計，采用標準化的生物元件，構建通用型的功能模塊，在一定的底盤生物上組裝成為具有特定功能的人工制造體系[18, 35, 43]，并對功能模塊與底盤進行適配，以實現人工體系運行效率的最優化（副產物生成率低、底物轉化效率高、終端產物生成速率高、生物量高、魯棒性好）。其具體設計和構建流程分為以下3個方面（圖3）。

圖3 化學品制造人工體系的設計與構建Fig. 3 Design and construction of artificial system for chemicals manufacturing

3.1 合成模塊的設計與構建

這一環節包括元器件設計優化和模塊設計組裝。根據產品合成路徑中不同的反應步驟，設計各個功能模塊。在這里不僅要注重產品的合成路徑，也要兼顧原料的轉運和同化過程，并按照實際需求引入相應模塊，例如糖轉運和代謝模塊、生物質降解模塊、光合作用固碳模塊等。其中，由于纖維素等生物質的降解過程發生在胞外，所以還需要引入蛋白分泌表達系統模塊，并考慮在底盤細胞表面構建優化支架蛋白、錨定蛋白等纖維素結合模塊系統[44]。在構建合成模塊時，需將不同的啟動子、核糖體結合位點、終止子、功能基因、選擇標簽等具有特定功能的序列進行標準化、元件化[45]。其中，編碼具有特定功能蛋白的基因序列，需考慮不同來源的同工酶在催化活性和底物、產物特異性上的差異，并按照宿主菌株的密碼子偏好性對選定的蛋白序列進行優化。然后按照既定設計，選取特定的元器件進行拼接組裝[8, 46]，進而構建合成模塊。

3.2 底盤細胞的功能優化

在這一環節中，根據不同產品及相應制造需求（原料利用、生產環境、合成途徑等），選擇合適的宿主菌株，并將特定需求細化到細胞具體的代謝改造上。這里對底盤細胞的優化要考慮以下幾個方面：① 胞內代謝流的流向和分配：通過減弱非必需旁路途徑、抑制產物的分解、上調前體的合成通路等，增強從底物到產物的代謝流，并使代謝流直接從底物流向產物；② 抗逆性：例如使細胞耐受單一或者復雜生產環境，耐受具有生理毒性的底物、產物或中間代謝物；③ 低氧狀態下氧的高效吸收和利用；④ 輔因子和能量平衡；⑤ 終端產物的轉運[18,35,43]。除引入并過表達相應的功能模塊、敲除或下調旁路競爭途徑和導致產物降解的編碼基因[18, 35, 43]，還可考慮通過空間結構調控（即蛋白融合和蛋白重定位）產物合成模塊中的蛋白，以增強產物合成路徑的代謝流量[43, 47-48]。

傳統改良菌株性狀的方法是紫外線照射或化學隨機誘變。現在可以通過基因組重構引入相應的功能模塊，以彌補底盤細胞功能的缺陷。同時，還可以借鑒代謝工程中“自上而下”的底盤優化思路，通過諸如CRISPR-Cas系統[49-51]、MAGE[52]等染色體編輯技術[53]，在基因組范圍內生成隨機突變，以構建大容量突變文庫，通過高通量篩選將正向突變或有利表型挑選出來。此外，還可以設計選擇壓力，通過適應性進化對底盤細胞進行優化[54-55]。

3.3 模塊和底盤細胞的適配

這一環節包括元件強度調節、模塊強度調節以及網絡模塊調控。在上述底盤菌株的構建和優化過程中，有針對性地阻斷、削弱或強化底盤菌株某些代謝通路，或引入異源模塊，往往會打破菌株內部原始的動態平衡，加重宿主細胞負擔，甚至產生具有生理毒性的代謝產物[56-58]。這些因素都嚴重制約了菌體的正常生長或延長生長延滯期[59]。而底盤細胞性能的最優往往取決于各模塊間以及模塊與底盤細胞之間的配合。這需要一方面引入邏輯模塊和調控模塊，即通過引入由感受蛋白和調控蛋白組成的動態調控系統[59]，或構建基因回路[60]，來感知環境變化（例如終產物的合成以及中間體的消耗速率），調整代謝路徑中各基因的表達強度[60-61]，達到動態調節代謝流的目的[57, 59]。另一方面，還可以通過調整各元件、模塊的強度，來實現模塊與底盤的適配。例如，調節啟動子強度和起始轉錄模式、調整核糖體結合位點序列和非編碼基因序列、改良限速酶催化活性和特異性、通過核糖體和δ位點多位點整合提高模塊拷貝數和調整模塊表達強度等[18, 35, 43]。此外，各元件、模塊間的組合設計也可實現不同模塊間的耦合和表達的精細調控[52, 62]。

4 化學品綠色制造未來發展方向

目前以生物轉化為核心的化學品綠色制造在整個化學品制造中所占的比重很小[14]。為促進化學品綠色制造的飛速發展，提高綠色制造產品市場占有率，建立“高效、清潔、低碳、循環”的制造模式，建議研究者應重點圍繞“原料、轉化過程和底盤細胞”這3個方面，實現以下技術瓶頸的突破（圖4）。

4.1 以經濟、環保、高效為導向，開發新型原料與預處理工藝

第一代以淀粉為碳源的生物制造存在著影響糧食供應安全以及高成本等缺點，尋找更為廉價和易得的原料才能最大限度地提升生物制造的優勢。為實現可持續發展的戰略目標，提高原料的利用效率，降低制造工業對環境的影響，研究者應著重發展新型清潔碳源，即通過生物學途徑將稀糖液、纖維素、半纖維素、木質素以及廢棄物等原料轉化為可被底盤細胞利用的單糖或合成路徑中間體。如農作物秸稈，我國每年的農作物秸稈的理論資源量在8億噸以上，這是一個有待開發的巨大資源庫。同時也要注重利用C1化合物的發酵研究，增強人們對相關宿主系統以及反應過程的認識，以提高以C1化合物為原料的化學品生物制造的經濟效率。國際上ICI、INEOS Bio、LanzaTech、Newlight Technologies等公司已經在如何利用C1資源方面做了大量富有成效的工作[14, 18]。此外，研究者還應發展以金屬、硅為核心的非碳基原料的利用[14]。

4.2 優化生物轉化過程，提高生產規模和經濟效益

生物制造大都采用以“有氧、分批、純菌”為特點的發酵體系。近些年來為提高產量或轉化率，研究者的目光都集中于生產菌株的改造方面，而忽視對發酵所用設備、工藝的優化。而這一方面恰巧就是阻礙生物制造在工業領域被大規模應用的主要原因之一。因此，研究者要注重對傳質和傳熱、產品連續分離和水循環利用等相關裝置和生產過程的開發，著重對無細胞反應體系和混菌生產體系（多菌種共培養、底物共利用、產物共合成）進行研究。同時還應研發基于小規模反應的生產規模放大預測計算工具，以加速化學品生物制造的實際投產過程。

4.3 底盤細胞的智能化制造

底盤細胞是整個化學品綠色制造鏈條的核心。人工合成生物體系在從生物模塊到系統網絡的各個層次上，采取“設計--構建--檢測--再設計”的循環構建方式[18, 35, 43]。其中設計是整個過程的基礎。對底盤細胞的設計包括對合成路徑的設計、對元件和模塊的設計、對DNA組裝方法的設計以及對底盤優化策略的設計[35, 61]。針對每一個環節都應開發相應的計算機輔助設計工具。其中還應著重開發酶定向進化相關的分析預測工具，以提高現有反應酶類的催化活性和特異性，創造可催化非天然反應的蛋白。同時還應注重相關數據庫和云計算分析平臺的開發。實際上，計算機輔助設計不僅局限于對底盤細胞的設計，它還包涵對細胞個體到生物反應系統再到生物反應器的各個水平的設計，形成整個生產工藝流程標準化集成設計鏈條。

圖4 化學品先進制造未來發展方向Fig. 4 Future direction of chemicals advanced manufacturing

快速、準確的檢測技術是評估所構建的合成路徑及底盤細胞的有效手段。這里需要對底盤細胞從基因、蛋白、代謝3個水平進行監測。易于操作、低成本、高效率、高精度、高通量、體內實時監測是檢測技術的發展方向。而構建這一環節包括合成路徑的構建和底盤細胞的優化。一方面，需要降低基因合成與大片段拼接組裝的成本，提高工作效率。建立自動化生物制造平臺是有效的解決方案之一。該平臺首先由計算機系統對人工生物系統及其構建方法進行設計，再交由機器人進行構建和發酵生產，最后由高通量分析儀器對制造過程和目標產物進行分析[61]。另一方面，還需要擴大可操作底盤細胞的物種范圍，尤其對在原料利用和特殊產品生產中具有明顯優勢的宿主菌株進行馴化，有針對性地建立遺傳操作體系，開發染色體編輯工具。同時還要圍繞增強底盤細胞魯棒性展開研究，以利于實際生產規模的放大。

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Core technology in chemicals green manufacturing: synthetic biology

XIAO Wenhai1, 2, WANG Ying1, 2, YUAN Yingjin1, 2
(1Key Laboratory of Systems Bioengineering (Ministry of Education), Tianjin University, Tianjin 300072, China;2SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072, China)

Abstract:Synthetic biology is the engineering of biology. Because it breaks the boundary of inanimate chemicals and life matter, and also promotes life science from understanding to creating, the synthetic biology has played a disruptive role in the development of science and technology, leading to great changes in chemical green manufacturing. Synthetic biology, as a core technology in chemical green manufacturing, mainly focuses on the design and optimization from raw materials to chassis and then the whole process. From the raw materials diversity, chemicals production and chassis selection aspects, the key role of synthetic biology in the chemical green manufacturing process, and also systematically elaborated the design and construction of artificial systems were summarized in this paper. In terms of feedstock, host cell and process, three aspects of outlook on how to develop synthetic biology to promote chemicals green manufacturing in the future were also proposed.

Key words:synthetic biology; chemicals manufacturing; bioenergy; pharmaceuticals; feedstock; chassis; bioprocess

中圖分類號：TQ 033

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）01—0119—10

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151033