合成生物学工业应用的现状和展望

传统产品的产业提升

乙醇。纤维素乙醇产业化的主要瓶颈之一是缺乏能同时代谢木糖和葡萄糖的酵母。中国科学院分子植物科学卓越创新中心下属上海工业生物技术研发中心，在诺维信公司和山东大学的协助下，在酿酒酵母中导入木糖异构酶基因并经驯化适配，实现了玉米秸秆和气爆处理甘蔗渣的高速发酵能力。该木糖利用酵母已在美国等多个国家申请专利，并与国内外多个纤维素乙醇项目签署酵母供货协议。2017 年利用该酵母生产 2 800 万升纤维素酒精，估计占全球二代乙醇份额的一半以上。这一成果标志着我国的酒精发酵酵母设计与构建技术进入国际先进行列。

正丁醇。正丁醇是具有多种用途的大宗基础化工原料，也是一种性能高于乙醇的优质燃料。以产溶剂梭菌为生产菌的生物法合成正丁醇曾经是仅次于乙醇的世界第二大生物制造技术产业。中国科学院分子植物科学卓越创新中心最早在国内系统性地开展了梭菌正丁醇发酵研究。通过建立基因编辑的新工具，发现新的调控元件和机制，构建高效普适的底盘，以及重构新产物途径等手段，构建了新一代能利用多种非粮原料的工程菌株，拓展了梭菌发酵的底物谱（糖基碳源、木质纤维素和气体碳源），实现了更高的正丁醇合成能力，表现出优良的耐毒和五、六碳糖共发酵能力。该团队近期实现了利用一碳气体合成正丁醇的目标，并已与企业开展技术合作，推进新技术的研发和应用。

赖氨酸。赖氨酸广泛用于动物饲料、医药健康、化工新材料等。我国是赖氨酸生产大国，2017 年产量达 157 万 吨，占全球份额的 56.5%。作为传统大宗发酵产品，其生产菌种经过近半个世纪的改造，发酵水平已经很高，继续提升难度非常大。但是，由于我国赖氨酸产业迫切需要升级换代，以提高经济效益，促进节能减排，增加国际竞争力，因此研发新一代赖氨酸发酵菌种已经迫在眉睫。通过建立计算机菌种设计、关键酶理性设计、代谢途径重构、菌种智能进化筛选等一整套核心菌种研发体系，中国科学院天津工业生物技术研究所成功开发新一代赖氨酸合成菌种，转化率居世界领先地位，核心专利在中国、日本、美国等国已获得授权。