题名 体外生物转化(ivBT):生物制造的新前沿
被引量：3
1
作者
石婷 宋展 宋世怡 张以恒
机构
中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 低碳合成 工程生物学 (全国)重点实验室中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心 合成 生物学 海河实验室上海交通大学生命科学 技术 学院 华东理工大学生物 反应器工程国家重点实验室
出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1437-1460,共24页
基金
国家重点研发计划(2022YFA0912300) 国家自然科学基金面上项目(NSFC32271544) +1 种基金 合成生物学海河实验室颠覆性创新项目(22HHSWSS000155) 天津市合成生物技术创新能力提升行动项目(TSBICIP-CXRC-067)。
文摘
人类社会的重大挑战(如粮食安全、能源安全、气候变化与双碳目标等)驱动全社会寻求创新型技术解决方案。体外生物转化(in vitro biotransformation,ivBT)是介于微生物发酵与酶催化之间的新质生物制造平台,多酶分子机器是其超限生物催化剂。它基于大道至简原则,利用多个天然酶、人工酶以及(仿生/天然)辅酶等重构生化途径,摆脱生物体生存局限(如细胞复制、基础代谢、复杂调控和能量供给等),超越细胞合成极限,实现重要生物转化与超限能量转换,尤其是生产低值大宗产品与新能源产品等。工业生物制造的三个平台技术分别是基于细胞工厂的发酵、基于酶分子的生物催化与基于多酶分子机器的ivBT。本综述对ivBT给出明确定义,阐明其多酶途径设计原则与产业化技术研发路径,比较该平台与现有生物制造平台相似性与不同点,介绍多个代表性案例,以及讨论其未来的机会与挑战。ivBT技术发展采用设计-构建-判决-优化的线性策略,开发能够满足国家需求的超高效多酶分子机器。利用ivBT有望形成超过30万亿元生物产品的工业生物制造,助力实现人类社会的多项重要需求,如粮食安全、新型能源体系等。人造淀粉不仅可以帮助中国端牢粮食饭碗,而且将是一个全新且安全的高密度储氢载体(比压缩氢气高2.5倍)与高能储电介质(比锂电池高10倍)。
关键词
体外合成生物学 工业生物制造 体外生物转化 多酶分子机器 粮食安全
Keywords
in vitro synthetic biology industrial biomanufacturing in vitro biotransformation in vitro synthetic enzymatic biosystem food security
分类号
Q819
[生物学—生物工程]
题名 体外多酶分子机器产氢应用中的氢酶研究
被引量：1
2
作者
李怡霏 陈艾 孙俊松 张以恒
机构
中国科学院 上海高等研究 院低碳生物 转化团队中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 低碳合成 工程生物学 (全国)重点实验室中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心 合成 生物学 海河实验室
出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1461-1484,共24页
基金
国家重点研发计划“合成生物学”重点专项“糖水氢电系统——体外多酶高效产氢及氢电装置的基础及工程研究”(2022YFA0912000)。
文摘
氢酶是生物制氢和氢能利用的最关键酶,它是一类广泛分布的对氧敏感的多亚基金属复合酶。体外多酶分子机器是体外生物转化技术中的高效酶生物催化系统,利用该分子机器生产氢气是一种新型高效的绿氢生产技术,它突破微生物产氢的Thauer极限,将葡萄糖产氢的转化率提高至接近化学理论值(1 mol葡萄糖裂解水生产12 mol氢气),代表着生物产氢的未来方向。氢酶的制备及催化性能是限制多酶分子机器产氢技术广泛应用的主要瓶颈;氧气不仅抑制氢酶的活性,也是氢酶转录翻译及翻译后加工的重要影响因素。体外多酶分子机器对氢酶的耐氧性能、热稳定性及高周转性能等参数提出高要求。本文结合氢酶在多酶分子机器制氢应用中的技术障碍,针对迫切的基础科学问题,分别从氢酶分类、结构功能、重组表达技术进展、(仿生)辅酶的适配等方面对其进行了相关的总结,并初步对氧的抑制机制、微生物重组表达氢酶以及产氢人工电子传递链的优化等难点问题的研究进行了跟踪,期待能够为氢酶在体外合成生物学的应用提供参考。
关键词
氢酶 生物产氢 体外多酶分子机器 仿生辅酶 人工电子传递链
Keywords
hydrogenase bioproduction of hydrogen in vitro synthetic enzymatic biosystems biomimetic coenzyme artificial electron transport chain
分类号
Q819
[生物学—生物工程]
题名 中国哲学思想“道法术器”对生物制造的启示
被引量：4
3
作者
张以恒
机构
中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心 国家合成 生物技术 创新中心
出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1231-1241,共11页
基金
国家重点研发计划“合成生物学”重点专项(2022YFA0912300) 国家自然科学基金面上项目(SFC 32271544) +1 种基金 合成生物学海河实验室颠覆性创新项目(22HHSWSS000155) 天津市合成生物技术创新能力提升行动项目(TSBICIP-CXRC-067)。
文摘
生物制造是利用生物体(如植物、动物、微生物、酶、体外多酶分子机器等)的机能进行物质加工与合成的绿色生产方式,将在能源、农业、化工和医药等领域改变世界工业制造格局,是科技战必争之地。作者应用中国古代哲学的“道、法、术、器”思想“道以明向,法以立本,术以立策,器以成事”,对工业生物制造的道与法进行解释与剖析,阐明顶层设计对生物制造的哲学指导意义。以美国合成生物学先驱公司Amyris为例,作者分析与讨论该公司产品选择以及隐含“道与法”,尽管该公司具有优秀“术与器”,但是走错道与不懂法决定该公司的失败命运。同时,作者简单地讨论两个人工淀粉合成技术的经济可能性与未来技术研发方向。总之,中国古代哲学思想“大道至简,从上而下,以道御术”,将对工业生物制造的未来发展提供顶层设计方法学上的启发与指导,将更有效地应对粮食安全、双碳目标与可持续发展等重大挑战。
关键词
生物制造 生物经济 文化自信 道法术器 粮食安全
Keywords
biomanufacturing bioeconomy cultural confidence Tao-Fa-Shu-Qi food security
分类号
Q81
[生物学—生物工程]
B80
[哲学宗教—思维科学]
题名 生物制造的市本率(PC值):定义与应用
4
作者
张以恒 陈雪梅 石婷
机构
中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 国家合成 生物技术 创新中心
出处
《合成生物学》
北大核心
2025年第1期8-17,共10页
基金
国家重点研发计划“合成生物学”重点专项(2022YFA0912303) 国家自然科学基金面上项目(NSFC 32271544) +1 种基金 合成生物学海河实验室颠覆性创新项目(22HHSWSS000155) 天津市合成生物技术创新能力提升行动项目(TSBICIP-CXRC-067)。
文摘
生物制造是中国“十四五”战略性新兴产业之一。本文作者曾经提出“道法术器”对工业生物制造的哲学指导意义。为了深入阐述生物制造中“法以立本”的原则,本文首次提出“市本率”这一创新性概念,即产品市场价格与原料成本的比值,英文全称是Price to Cost-of-raw-materials Ratio,简称PC值。市本率是一个衡量技术水平与经济价值的关键指标,具有简单、公开、透明的属性,提供了生物制造产品分类新方法,有助于指导新技术增效和降本的发展路径,预判生物产品未来制造成本及市场价格的趋势,评估新兴生物技术的产业化潜力。市本率的计算与分析,作为一种新方法学工具,将为生物制造战略新兴产业的未来发展提供顶层设计的新视角,深化对生物制造产品市场前景的理解,推动生物经济高质量发展。
关键词
生物制造 生物经济 市本率 道法术器 第一性原理 大宗产品
Keywords
biomanufacturing bioeconomy Price to Cost-of-raw-materials Ratio Tao-Fa-Shu-Qi first principles biocommodity
分类号
Q81
[生物学—生物工程]
题名 木质素的生物降解和生物利用
被引量：4
5
作者
刘宽庆 张以恒
机构
中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心 中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 低碳合成 工程生物学 (全国)重点实验室国家合成 生物技术 创新中心
出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1264-1278,共15页
基金
国家重点研发计划(2022YFC3401700,2022YFA0912300) 天津市合成生物技术创新能力提升行动创新人才/团队发展项目(TSBICIP-CXRC-068)。
文摘
木质素是木质纤维素的主要成分之一,按干重计约占15%~30%,全球年产量约200亿吨。木质素是由苯丙烷单元通过多种不同的碳碳键和碳氧键构成的一类芳香族高聚化合物,是高等陆生植物次生细胞壁的主要成分,赋予了植物刚性并保护植物体免受微生物的入侵。由于木质素产量巨大、可再生,近些年全球对木质素利用的兴趣持续升高。但是木质素的成分复杂,无论是其降解还是后续的利用都充满了挑战,因此目前多用作燃料。在众多木质素降解利用的方法中,生物法反应条件温和、绿色环保,近些年在绿色可持续发展的大背景下受到广泛关注。本文介绍了自然界中催化木质素降解的关键酶:漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、染料脱色过氧化物酶、多功能过氧化物酶等,同时简要介绍了其催化机制。并总结了生物利用木质素类芳香族化合物过程中涉及的四个主要反应:O-脱甲基、脱羧、羟基化和双加氧酶介导的开环反应,以及相关的酶和催化机制。最后,简要介绍了利用合成生物学手段构建细胞工厂实现木质素高值利用的案例。木质素的生物降解和利用是一个极具潜力的领域,同时也存在诸多的挑战,例如转化效率低、反应时间长等。但相信随着合成生物学的迅猛发展,利用高效基因编辑和代谢工程改造提高关键酶的反应速率和代谢通路的效率、提高底盘细胞对有毒芳香族化合物的抵抗能力、维持还原力的平衡等,将有效提高木质素生物降解利用的效率,其工业应用也许在不久的将来就会实现。
关键词
木质素 生物降解 生物利用 漆酶 锰过氧化物酶 木质素过氧化物酶 染料脱色过氧化物酶 多功能过氧化物酶
Keywords
lignin biological degradation biological utilization laccase manganese peroxidase lignin peroxidase dye-decolorizing peroxidase versatile peroxidase
分类号
Q819
[生物学—生物工程]
题名 生物制造助力发展新质生产力
6
作者
刘建明 张以恒 曾安平
机构
西湖大学合成 生物学 与生物 智造中心 西湖大学工学院 浙江省全省智能低碳生物 合成 重点实验室 中国科学院 天津 工业 生物技术 研究所 低碳合成 工程生物学 (全国)重点实验室中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心 国家合成 生物技术 创新中心 西湖大学未来产业研究 中心
出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1227-1230,共4页
基金
国家重点研发计划(2022YFA09012000)。
文摘
生物制造技术在全球可持续发展战略中发挥着至关重要的作用,它不仅是解决资源匮乏和环境污染的关键技术,也是推动新质生产力发展的重要引擎。随着全球绿色低碳经济的崛起,各国纷纷出台政策以支持生物制造技术的创新与应用。例如,中国《“十四五”生物经济发展规划》明确提出,要大力发展生物制造,推动生物基材料、绿色能源、生物医药等领域的突破性发展,以实现“双碳”目标和绿色经济转型。这一政策呼应了全球可持续发展的需求,强调通过生物制造减少对石化资源的依赖,推动生物基产品在工业生产中的广泛应用。与此同时,欧盟的《欧洲绿色协议》也将生物制造列为发展循环经济和可再生能源的重要组成部分。通过政策的引导与技术创新的结合,生物制造正在成为构建未来新质生产力的核心力量之一,促进了从传统化石燃料到可再生碳资源(如二氧化碳、生物质等)的转型,为全球经济的可持续发展注入了新的动力。本文将从生物制造原料的开发与利用、高附加值产品的生物制造进展、生物制造催化剂的创新以及其在合成生物学的突破等方面,阐述本期生物制造专辑的主要内容。
关键词
生物制造 全球可持续发展 合成生物学 可再生能源 绿色能源 化石燃料 生物医药 生物基产品
分类号
Q81
[生物学—生物工程]
