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    2019工業(yè)生物學(xué)專(zhuān)刊序言

    2019-10-31 12:26:14王欽宏馬延和
    生物工程學(xué)報(bào) 2019年10期
    關(guān)鍵詞:專(zhuān)刊生物學(xué)工業(yè)

    王欽宏,馬延和

    2019工業(yè)生物學(xué)專(zhuān)刊序言

    王欽宏,馬延和

    中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所,天津 300308

    工業(yè)生物技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,其創(chuàng)新發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)學(xué)科的支撐。工業(yè)生物學(xué)研究工業(yè)環(huán)境下生物體行為的基本規(guī)律和作用機(jī)制,解決適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的生物體設(shè)計(jì)構(gòu)建及應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,是工業(yè)生物技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)。為了梳理和凝練工業(yè)生物學(xué)發(fā)展?fàn)顩r,本刊特組織出版專(zhuān)刊,從工業(yè)蛋白科學(xué)、工業(yè)細(xì)胞科學(xué)和工業(yè)發(fā)酵科學(xué)三個(gè)方面,分別闡述學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài),展望未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),為促進(jìn)工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

    工業(yè)生物技術(shù),生物制造,工業(yè)生物學(xué),可持續(xù)發(fā)展

    面對(duì)全球人口增長(zhǎng)、氣候變化、環(huán)境污染、資源短缺等一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn),實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略,轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式,貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”發(fā)展理念,實(shí)現(xiàn)綠色、循環(huán)、可持續(xù)物質(zhì)供給模式與高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展,著力創(chuàng)新生物技術(shù)、發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)是必選的科技戰(zhàn)略。目前,現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)從生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,加速向工業(yè)領(lǐng)域滲透。工業(yè)生物技術(shù)是繼醫(yī)藥生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)之后全球生物技術(shù)發(fā)展的“第三次浪潮”[1-3]。

    工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展為人類(lèi)提供生產(chǎn)所需的基礎(chǔ)化學(xué)品、醫(yī)藥、食品、能源和材料等,是現(xiàn)代社會(huì)由化石經(jīng)濟(jì)向生物經(jīng)濟(jì)過(guò)渡的必要手段。世界經(jīng)合組織的案例分析表明,工業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用可以降低工業(yè)過(guò)程能耗15%?80%,原料消耗35%?75%,空氣污染50%?90%,水污染33%?80%,生產(chǎn)成本降低9%?90%[4-5]。例如頭孢類(lèi)抗生素原料頭孢氨芐的工業(yè)生物技術(shù)路線(xiàn),每噸產(chǎn)品減少使用乙酰酸、乙酯四甲基胍、特戊酰氯等特殊化學(xué)原料約1.4 t,減少使用二氯甲烷、甲基異丁基酮及異丙醇等有機(jī)溶劑約8 t,減少COD排放約80%,減少能源消耗約30%;精細(xì)化學(xué)品L-丙氨酸全生物合成路線(xiàn),從5步化工路線(xiàn)變?yōu)橐徊缴锕に?,每噸產(chǎn)品減少二氧化碳排放0.5 t,生產(chǎn)成本降低40%以上,能耗減少30%,創(chuàng)造了一個(gè)化纖原料擺脫石油價(jià)格體系的范例;另外一個(gè)案例是基礎(chǔ)化學(xué)品丁二酸的工業(yè)生物技術(shù)路線(xiàn),相比石化路線(xiàn)生產(chǎn)成本降低20%,能耗降低30%,CO2排放減少94%。

    工業(yè)生物技術(shù)因其清潔、可再生,又被稱(chēng)為白色生物技術(shù)[6],其能源和工業(yè)原料方面可以不再完全依賴(lài)于化石能源,大幅減少溫室氣體排放,并能夠降低化學(xué)品生產(chǎn)成本和降低對(duì)有毒化學(xué)助劑的依賴(lài)性,是未來(lái)工業(yè)制造可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向?!渡锕こ虒W(xué)報(bào)》一直關(guān)注工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,曾于2008年[7]、2010年[8]、2011年[9]和2014年[10]出版過(guò)4期主題為“工業(yè)生物技術(shù)”的專(zhuān)刊,受到讀者的歡迎。工業(yè)生物技術(shù)在快速發(fā)展,支撐工業(yè)生物技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的工業(yè)生物學(xué)也隨之快速發(fā)展并逐漸成為成熟的學(xué)科。

    工業(yè)生物學(xué)從分子、細(xì)胞和系統(tǒng)不同層次解析工業(yè)環(huán)境下生物體行為的基本規(guī)律與作用機(jī)制,突破適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的酶分子、細(xì)胞和多細(xì)胞體系的設(shè)計(jì)構(gòu)建與優(yōu)化調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,提高精細(xì)化學(xué)品、重大化工產(chǎn)品、大宗發(fā)酵產(chǎn)品、天然產(chǎn)物等生物制造工藝效率,是工業(yè)生物技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ) (圖1)。盡管用生物科學(xué)的理論和方法來(lái)解決人類(lèi)面臨的資源、能源和環(huán)境問(wèn)題的潛力巨大,但總體上,生物科學(xué)在工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用仍處于初期階段。生物體在工業(yè)體系中的行為規(guī)律還遠(yuǎn)未被人們認(rèn)識(shí),生物體解決工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的能力還遠(yuǎn)未得到充分挖掘和利用。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展對(duì)建立綠色、可持續(xù)工業(yè)體系的迫切要求,研究人員面臨著如何認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建具有新工業(yè)應(yīng)用屬性的生物體的挑戰(zhàn),面臨著如何提升工業(yè)生物技術(shù)與生物制造產(chǎn)業(yè)科技支撐能力的挑戰(zhàn)。因此《生物工程學(xué)報(bào)》于本期出版“工業(yè)生物學(xué)”專(zhuān)刊。本專(zhuān)刊分3個(gè)欄目,共16篇,分別從工業(yè)蛋白科學(xué)、工業(yè)細(xì)胞科學(xué)和工業(yè)發(fā)酵科學(xué)闡述工業(yè)生物學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀,展望未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),推動(dòng)學(xué)科的建設(shè)和成熟,以更好支撐工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展。

    圖1 工業(yè)生物學(xué)框架圖

    工業(yè)蛋白科學(xué)是工業(yè)生物學(xué)分子層次的學(xué)科,核心內(nèi)容是發(fā)展生物信息預(yù)測(cè)與計(jì)算蛋白質(zhì)研究體系,研究工業(yè)酶蛋白的結(jié)構(gòu)與功能構(gòu)效關(guān)系,建立蛋白質(zhì)序列與功能預(yù)測(cè)的技術(shù)能力,計(jì)算模擬蛋白質(zhì)催化劑的構(gòu)型構(gòu)象,定向設(shè)計(jì)合成與優(yōu)化改造人工酶和分子機(jī)器。劉衛(wèi)東和孫周通團(tuán)隊(duì)圍繞酶結(jié)構(gòu)的可塑性及其催化功能的多樣性,闡述了工業(yè)酶蛋白的結(jié)構(gòu)與功能的構(gòu)效關(guān)系及其對(duì)設(shè)計(jì)改造與應(yīng)用的重要影響,是實(shí)現(xiàn)酶蛋白理性設(shè)計(jì),甚至從頭設(shè)計(jì)合成前提基礎(chǔ)。針對(duì)計(jì)算方法對(duì)工業(yè)蛋白質(zhì)研究的重要性,劉海燕團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)闡述了用于工業(yè)酶研究的分子力學(xué)力場(chǎng)和分子動(dòng)力學(xué)模擬、量子力學(xué)以及量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合模型、連續(xù)介質(zhì)靜電模型、分子對(duì)接等主要計(jì)算化學(xué)方法的相關(guān)進(jìn)展;許建和團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了各種計(jì)算方法和設(shè)計(jì)策略用于解析酶的催化反應(yīng)機(jī)理、提升酶的催化性能,從而為創(chuàng)新面向工業(yè)應(yīng)用的高性能酶蛋白奠定基礎(chǔ)。吳邊與孫周通團(tuán)隊(duì)在總結(jié)蛋白質(zhì)工程發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)評(píng)述了當(dāng)前面向工業(yè)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)改造方面的進(jìn)展與應(yīng)用,指明了新的發(fā)展方向。鄭仁朝團(tuán)隊(duì)闡述了酶在高溫、強(qiáng)酸/堿、高鹽、有機(jī)溶劑和高底物濃度等工業(yè)環(huán)境下的催化行為以及對(duì)其適應(yīng)性改造的研究進(jìn)展,為酶蛋白性能優(yōu)化提供參考。針對(duì)近來(lái)多酶分子機(jī)器的巨大應(yīng)用潛力,游淳團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地綜述了基于酶元件/模塊的體外多酶分子機(jī)器的構(gòu)建策略,以及改善多酶分子機(jī)器中酶元件/模塊之間適配性的研究進(jìn)展,并分析了多酶分子機(jī)器的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)。

    工業(yè)細(xì)胞科學(xué)是工業(yè)生物學(xué)細(xì)胞層次的學(xué)科,核心內(nèi)容是結(jié)合組學(xué)解析,系統(tǒng)研究和認(rèn)識(shí)細(xì)胞生理和代謝功能的分子基礎(chǔ),通過(guò)構(gòu)建計(jì)算機(jī)細(xì)胞預(yù)測(cè)生理或代謝功能,將代謝途徑或系統(tǒng)模塊組裝成為能夠高效人工細(xì)胞或“細(xì)胞工廠(chǎng)”,并且研究和提升生產(chǎn)過(guò)程中與環(huán)境脅迫及滲透壓脅迫抗性相關(guān)的魯棒性、與高代謝活性相關(guān)的適應(yīng)性,從而適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的要求。以天然產(chǎn)物合成為例,陳實(shí)團(tuán)隊(duì)結(jié)合基因組學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,綜述了天然產(chǎn)物合成的基因組破譯、解析以及激活方面的研究進(jìn)展,為構(gòu)建生產(chǎn)天然產(chǎn)物,甚至其他更多化學(xué)品的人工細(xì)胞提供了重要參考。針對(duì)認(rèn)識(shí)細(xì)胞生理與代謝特征的需要,劉立明團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)述了基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型的相關(guān)研究進(jìn)展,分析了其在代謝網(wǎng)絡(luò)特性解析、細(xì)胞表型預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)指導(dǎo)以及進(jìn)化過(guò)程與相互作用認(rèn)識(shí)中的重要作用;馬紅武團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合精確代謝網(wǎng)絡(luò)模型需要引入蛋白量、熱力學(xué)等約束條件,重點(diǎn)評(píng)述了多種酶約束模型的進(jìn)展,以更準(zhǔn)確真實(shí)地模擬和預(yù)測(cè)細(xì)胞在環(huán)境和基因擾動(dòng)下的代謝行為,為人工細(xì)胞設(shè)計(jì)改造提供更準(zhǔn)確可靠的指導(dǎo)。藺玉萍團(tuán)隊(duì)介紹了細(xì)胞魯棒性狀的遺傳調(diào)控與脅迫響應(yīng)機(jī)制、基因組全局?jǐn)_動(dòng)與多位點(diǎn)快速進(jìn)化以及細(xì)胞水平氧還平衡的全局?jǐn)_動(dòng)方面的進(jìn)展,指出了需要借助合成生物學(xué)等多種手段加強(qiáng)對(duì)工業(yè)環(huán)境下細(xì)胞魯棒性狀調(diào)控機(jī)理的解析及系統(tǒng)工程改造的必要性。在系統(tǒng)深入理解的基礎(chǔ)上,陶勇團(tuán)隊(duì)從最優(yōu)合成途徑創(chuàng)建、代謝流平衡、充足前體和能量供給、產(chǎn)物和代謝中間體的反饋抑制解除等方面綜述了“細(xì)胞工廠(chǎng)”設(shè)計(jì)與組裝的基本準(zhǔn)則,為實(shí)現(xiàn)高效工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

    工業(yè)發(fā)酵科學(xué)是工業(yè)生物學(xué)系統(tǒng)層次的學(xué)科,核心內(nèi)容是研究工業(yè)發(fā)酵中的細(xì)胞行為及自適應(yīng)機(jī)制,發(fā)酵過(guò)程模擬仿真,發(fā)酵條件下對(duì)細(xì)胞代謝調(diào)控及基于細(xì)胞狀態(tài)的發(fā)酵參數(shù)快速智能控制。鄭平和孫際賓團(tuán)隊(duì)不僅闡述了基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組與代謝流組等系統(tǒng)生物學(xué)研究方法及其對(duì)人工細(xì)胞改造的重要性,也介紹了組學(xué)對(duì)工業(yè)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與放大的影響;組學(xué)數(shù)據(jù)與宏觀發(fā)酵表型數(shù)據(jù)以及發(fā)酵罐的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析可以從微觀到宏觀,從分子到系統(tǒng)水平,全面認(rèn)識(shí)工業(yè)發(fā)酵過(guò)程,并獲得高效放大優(yōu)化的有效策略。李德茂團(tuán)隊(duì)結(jié)合工業(yè)生物發(fā)酵過(guò)程模擬的進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì),評(píng)述了細(xì)胞和反應(yīng)器信息的系統(tǒng)級(jí)整合可以深入了解復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程,并能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的優(yōu)化與控制,但是相關(guān)信息的整合需要建立更加復(fù)雜的模型框架,這是新一代工業(yè)發(fā)酵科學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)生物體在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中遭受環(huán)境脅迫或變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞自適應(yīng)行為的現(xiàn)象,史仲平團(tuán)隊(duì)以畢赤酵母異源蛋白表達(dá)和丁醇兩個(gè)典型發(fā)酵過(guò)程為例,闡述了環(huán)境變化條件下的細(xì)胞自適應(yīng)行為及其基于自適應(yīng)行為的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化方法和策略,為利用基于細(xì)胞自適應(yīng)行為的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化提供了參考。堵國(guó)成團(tuán)隊(duì)從發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型、細(xì)胞代謝特性、發(fā)酵提取相耦合與反應(yīng)器設(shè)計(jì)4個(gè)方面,總結(jié)和討論發(fā)酵過(guò)程多尺度解析與調(diào)控的研究進(jìn)展,闡述了整合分析發(fā)酵過(guò)程不同尺度特征并且針對(duì)性地開(kāi)展多尺度整合調(diào)控是實(shí)現(xiàn)高效工業(yè)生物發(fā)酵的重要策略。莊英萍團(tuán)隊(duì)結(jié)合多尺度理論與裝備、細(xì)胞宏觀代謝在線(xiàn)檢測(cè)傳感技術(shù)以及生理代謝參數(shù)相關(guān)分析的相關(guān)進(jìn)展,進(jìn)一步對(duì)工業(yè)生物過(guò)程智能控制與傳感、大數(shù)據(jù)庫(kù)建立和數(shù)據(jù)深度計(jì)算以及生物過(guò)程智能決策進(jìn)行了綜述和展望,為提升工業(yè)生物過(guò)程自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化水平提高了重要參考。

    工業(yè)生物學(xué)是支撐工業(yè)生物技術(shù)重要學(xué)科基礎(chǔ)。作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科,工業(yè)生物學(xué)邊界還不十分明確,但它在研究方式上具有生物科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)和工程科學(xué)緊密合作的特色,這種學(xué)科的密切交叉體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)的活力與優(yōu)勢(shì)。多學(xué)科交叉滲透與集成創(chuàng)新已成為工業(yè)生物學(xué)發(fā)展的新方向。希望通過(guò)本專(zhuān)刊的推出,標(biāo)定出我國(guó)工業(yè)生物學(xué)發(fā)展的新的“起點(diǎn)”。在這新的“起點(diǎn)”,通過(guò)生物學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)的交叉與整合,使工業(yè)生物學(xué)不斷成熟和壯大,加速新一代工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)形成新的工業(yè)生物產(chǎn)業(yè)形態(tài),促進(jìn)加工方式的變革和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的提升,為人類(lèi)面臨的能源、資源和環(huán)境問(wèn)題提供全新的解決方案。此外,本專(zhuān)刊內(nèi)容上如有不足之處,希望各位同行和廣大讀者進(jìn)一步批評(píng)指正。

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    Preface for special issue on industrial biology (2019)

    Qinhong Wang, and Yanhe Ma

    ,,300308,

    Industrial biotechnology promises to make a significant contribution in enabling the sustainable development, and need the solid support from its basic discipline. As the basis of industrial biotechnology, industrial biology is to study the basic laws and mechanisms of biological behavior in industrial environment and to solve the key scientific problems for understanding, designing and constructing the organisms adapted to the application of industrial environment. In order to comprehend the status of industrial biology, we published this special issue to review the progress and trends of industrial biology from the three aspects of industrial protein science, cell science and fermentation science, respectively, for laying the foundation for the development of industrial biotechnology.

    industrial biotechnology, biomanufacturing, industrial biology, sustainable development

    10.13345/j.cjb.190449

    王欽宏 研究員,博士生導(dǎo)師,中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”入選者,天津市創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃工業(yè)合成生物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。2003年在中國(guó)科學(xué)院微生物研究所獲博士學(xué)位。2004?2009年先后在美國(guó)奧克拉荷馬大學(xué)和加州理工學(xué)院從事博士后。2016年榮獲天津市五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆V饕獜氖鹿I(yè)生物的進(jìn)化與代謝工程研究。近年來(lái),在等領(lǐng)域主流SCI期刊發(fā)表科研論文40余篇,申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)?,F(xiàn)為學(xué)術(shù)期刊和《生物工程學(xué)報(bào)》編委。

    馬延和 研究員,博士生導(dǎo)師,工業(yè)酶國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事極端微生物與生物工程的研究與應(yīng)用。已在等雜志發(fā)表SCI論文250多篇,申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利150多項(xiàng),已獲授權(quán)60余項(xiàng),主編專(zhuān)著2部。曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)、中石化聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、中國(guó)輕工聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等。曾任國(guó)家863計(jì)劃生物醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)<医M專(zhuān)家,國(guó)家973計(jì)劃重大項(xiàng)目首席科學(xué)家,現(xiàn)為國(guó)際學(xué)術(shù)期刊副主編、《中國(guó)科學(xué):生命科學(xué)》《生物工程學(xué)報(bào)》編委等,為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)咨詢(xún)專(zhuān)家委員會(huì)委員、國(guó)家新材料發(fā)展咨詢(xún)專(zhuān)家委員會(huì)委員等。

    王欽宏, 馬延和. 2019工業(yè)生物學(xué)專(zhuān)刊序言. 生物工程學(xué)報(bào), 2019, 35(10): 1801–1805.

    Wang QH, Ma YH. Preface for special issue on industrial biology (2019). Chin J Biotech, 2019, 35(10): 1801–1805.

    October4, 2019

    Qinhong Wang. Tel/Fax: +86-22-84861950; E-mail: wang_qh@tib.cas.cn

    Yanhe Ma. Tel/Fax: +86-22-84861966; E-mail: ma_yh@tib.cas.cn

    (本文責(zé)編 陳宏宇)

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