工业生物技术：细胞工厂创造绿色世界
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科学家发现了一种由糖驱动的生物高能移动电源——“糖电池”。与锂电池相比，糖电池的储能密度更高，同等大小的糖电池是锂电池储能量的十倍之多，充电过程更加便捷，只需要几秒钟，加入新的糖溶液；而且糖是绿色可再生的，既不易爆也不可燃，其废弃物可生物降解。除了可以用于移动电源之外，糖电池甚至可能用于驱动汽车。科学家希望能开发出应用糖电池的汽车系统，将从根本上改变现代汽车能源供给结构。
研究人员找到了一种将纤维素转化为淀粉的新途径，将开启“任何植物都可以制成食物”的大门。这种新方法能够从非粮植物材料（如玉米秸秆）中提取纤维素，并将部分纤维素转化为淀粉，剩余的纤维素则被转化为葡萄糖，用于制造生物燃料乙醇。这个过程对任何植物的纤维素都有效，易于大规模工业化生产，因为这个过程并不需要昂贵的设备、高温或化学试剂，也不产生任何废物。
碳酸酐酶是迄今为止发现的催化效率最高的含锌金属酶之一，可极大地提高二氧化碳的吸收速率和解吸速率，从而降低吸收塔和解吸塔的高度，同时，还可实现在相对较低的温度下进行CO2的解吸，从而极大地降低能耗和成本。未来，人类甚至可能以CO2为原料、用工业生物路线来合成食品、布料等必需品。
当化石能源走到尽头，人类何以为继？科学家们有一个宏伟的构想：让生物来提供今天人类所必需的一切——我们可以用秸秆、杂草来生产药品、溶剂、汽车、塑料；我们可以提取废水、废气，甚至空气中的有机质、碳元素来转化为柴油、汽油、燃气、电力；我们可以通过大型发酵罐来获得食品、饮料、衣物、鞋帽……这，就是工业生物技术。
简单地说，工业生物技术是利用“细胞工厂”或酶来从事工业化生产，制造人类所需的食品、医药、织物、材料、能源等各种产品的技术，通常以秸秆等可再生生物质资料为原料。
所谓“细胞工厂”，就是指科学家将微生物细胞作为一个“加工厂”，以细胞自身的代谢机能作为“生产流水线”，以酶作为催化剂，通过计算机辅助设计高效、定向的生产路线，通过基因技术来强化有用的代谢途径，从而将微生物细胞改造成一个合格的产品“制造工厂”。
在科学家的设计下，秸秆、木薯、海藻等生物质原料，通过这些吃苦耐劳、兢兢业业的微生物细胞工厂的作用，可转变成丁二酸、甲烷、乙醇等化学产品，为现代化学工业体系提供原料。
细胞工厂能够以可再生的生物质资源替代不可再生的化石资源，以清洁生物加工方式替代化学加工方式，改变高消耗、高污染、低效益的生产模式，提升传统产业水平，具有节能、环保、高效、可持续的特点。
这并不是科幻。今天，工业生物技术已初露端倪。
生物能源——英国诺维奇研究院的科学家通过废纸生产出了高浓度的生物乙醇。他们特别设计了一个示范性生物反应器，通过混合和批量添加废纸，用酶将复杂的糖类（糖化）分解成单糖，在酵母作用下发酵成乙醇。这种乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，适用于装配点燃式发动机的各类车辆。
美国能源部联合生物能源研究所的研究人员构建了可合成先进生物燃料的大肠杆菌菌株，所合成的生物燃料可以替代汽油、柴油和航空燃油，这一研究成果被称为“里程碑事件”。
生物材料——日本产业技术综合研究所、NEC公司以及宫崎大学的一个研究团队利用源自藻类的材料开发了生物塑料，这种塑料更具韧性，比传统塑料拥有更好的耐热性。
中国科学院天津工业生物技术研究所的研究人员以秸秆为原料成功构建出了高效生产丁二酸的大肠杆菌细胞工厂，生产出的丁二酸可用于制造PBS生物降解塑料。该塑料是目前综合性能佳、发展前景被广泛看好的全生物降解塑料。这种方法让生产丁二酸的成本较现有的石油路线大幅度降低，使得未来PBS生物塑料的大规模推广应用成为了可能。
生物基化学品——美国北达科他州立大学的研究人员开发出以甘蔗、甜菜等农作物为原料的生物基树脂和涂料，避免了甲醛和双酚—A等有毒成分的生成。
中国科学院天津工业生物技术研究所的科学家设计构建了生产指标国际领先的赖氨酸新型工业菌株，生产成本可降低约15%，节能减排30%以上。生产出的赖氨酸可用作食品强化剂和饲料添加剂，补充人类与动物所必需的氨基酸营养物质。
加拿大渥太华大学和巴西米纳斯吉拉斯州联邦大学研究人员以生物质作为可持续原料，将植物“精油”（具有植物香气的物质）转化成高价值的防晒霜、香水等化妆品的组成成分，未来可能实现个人护理用品的全生物制造。
可以说，继医药生物技术（红色生物技术）、农业生物技术（绿色生物技术）之后，工业生物技术（白色生物技术）已成为国际生物技术发展的“第三次浪潮”，在全球范围内掀起了一场新的工业技术革命。据世界经济合作与发展组织预测，至2030年，35%的化学品和其他工业品将出自于工业生物技术，生物技术产生的经济与环境效益中，39%将来自于工业生物技术贡献。
美国政府于2012年发布《国家生物经济蓝图》，提出在政府范围内采取切实行动促进生物技术研究创新。2011年底和2012年初，欧盟先后发布“地平线2020”计划提案和《欧洲生物经济的可持续创新发展战略》，大力发展欧洲生物经济。日本较早制定了“生物技术产业立国”的国家战略，高度重视生物技术发展。俄罗斯作为全球可再生原料的主要生产国，于2012年发布国家《生物技术综合计划2012—2020》，明确提出将工业生物技术和生物能源发展作为国家生物技术发展的优先领域。
作为传统制造业大国，中国也逐渐开始重视工业生物技术的发展。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》将工业生物技术作为未来着力发展的战略高技术。《“十二五”生物技术发展规划》《“十二五”现代生物制造科技发展专项规划》和《生物产业发展规划》的相继出台，加强了我国新时期对工业生物技术的重视和布局。2012年11月29日，中国科学院与天津市共同建设的“中国科学院天津工业生物技术研究所”通过验收，标志着中国国内工业生物技术领域整建制科研机构正式成立。
在工业生物技术的世界里，几乎我们生活所需要的一切产品都可以通过秸秆、有机废弃物甚至二氧化碳来制造，农民将不再需要在田地上辛苦耕种粮食，工厂将不再成为人类生存环境的污染源。我们生活的这个世界，将不再有雾霾、污染、生态破坏，到处都是蓝天、净水、鸟语花香！
(作者为中科院天津工业生物技术研究所研究员)
