探究光合微生物奧秘 聚焦科技強國戰(zhàn)略

孫雅琴

在Science Advances等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，受邀參編學(xué)術(shù)專著4部（包括愛思唯爾的《天然產(chǎn)物化學(xué)》2部，施普林格·自然的《分子生物學(xué)方法》叢書1部和英國皇家化學(xué)學(xué)會的微藻生物技術(shù)1部等業(yè)內(nèi)的權(quán)威出版書籍），獲冰島國家級應(yīng)用科學(xué)獎，當選為冰島科學(xué)院院士，擔(dān)任歐盟委員會基金評審特邀會評專家……

研究成果受到國際學(xué)界高度認可，埋首光合微生物（微藻）資源工程研究十二載，國家級高層次青年人才、浙江大學(xué)“百人計劃”研究員、博士生導(dǎo)師傅維琦早已練就從容淡靜的品格與心態(tài)。“不以物喜，不以己悲?！辈还苁琼樉尺€是逆境，他都將其理解為實驗學(xué)科獨有的魅力。懷抱讓研究成果為國所用、為民所用的夢想，回國后傅維琦帶領(lǐng)團隊為發(fā)展我國微藻資源的基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不遺余力。

從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究

在傅維琦讀大學(xué)的時候，微藻資源工程在國內(nèi)并不是熱門的研究方向，對于當時的科研工作者來說，這是一條少有人走的路。

傅維琦與這一領(lǐng)域的結(jié)緣還得從他成為生物化工專家岑沛霖教授的關(guān)門弟子說起。當時，岑教授帶領(lǐng)他用生物工程方法構(gòu)建重組大腸桿菌并通過微生物發(fā)酵工程生產(chǎn)5-氨基乙酰丙酸。作為生物合成血紅素、細胞色素、維生素B12等必不可少的前體化合物，5-氨基乙酰丙酸用途廣泛，可作為新型光動力藥物治療皮膚癌等，并可開發(fā)成為植物生長調(diào)節(jié)劑、綠色除草劑等。直至博士畢業(yè)，傅維琦和岑教授、林建平教授等團隊成員開發(fā)了5-氨基乙酰丙酸的微生物合成工藝。在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，他們發(fā)表了一系列高水平論文，并獲得多項發(fā)明專利授權(quán)。過往的5年時間里，傅維琦一直在思考未來的科研方向，最終他得出一個結(jié)論：不能止步于基礎(chǔ)科研。

2009年，抱定信念的傅維琦，步履不停，這一年他來到冰島大學(xué)從事博士后研究工作，把科研目光投向海洋里的光合微生物，開始了更偏應(yīng)用方向的研究。彼時，傅維琦師從生物工程與系統(tǒng)生物學(xué)先驅(qū)、美國工程院院士Bernhard Palsson。在傅維琦的心目中，自己的博士后導(dǎo)師不僅有卓越的科研能力，更有突出的人格魅力?！八荛_明，當實驗失敗時，他會開導(dǎo)我說，科學(xué)實驗研究中有三分之一左右的實驗往往會以失敗告終，經(jīng)歷一兩次失敗不算什么，從頭再來就好。”

這一時期，傅維琦主要的研究對象是海洋光合微生物（微藻）。這一古老的生命體，是地球演化過程中氧氣的生產(chǎn)者，是高等植物進化過程中的共同原始祖先，是初級生產(chǎn)力的主要貢獻者。這一古老物種雖然形貌微小，但它的一項功能卻令人稱奇：“捕食”廢氣中的二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、碳水化合物、油脂和色素等高附加值產(chǎn)品，成為利用自然規(guī)律實現(xiàn)固碳減排的“妙招”。

然而，目前微藻資源化和大規(guī)模開發(fā)仍須解決光合作用效率低及高密度培養(yǎng)等技術(shù)難題。面向這些挑戰(zhàn)，傅維琦嘗試利用適應(yīng)性進化、系統(tǒng)生物學(xué)等工程化方法設(shè)計改造微藻，提高光合作用效率。

科研成果突破技術(shù)難題

一次次攻關(guān)克難，一次次積蓄自信，幾年研究下來，傅維琦收獲了諸多有代表性的研究成果。

傅維琦設(shè)計開發(fā)了極具放大潛力的柱狀鼓泡式光生物反應(yīng)器，利用生物質(zhì)元素含量平衡分析設(shè)計可獲取的生物質(zhì)產(chǎn)量，在高濃度二氧化碳通氣條件下優(yōu)化穩(wěn)定培養(yǎng)液pH值促進小球藻生長，并采用不同光譜和光強的高頻脈沖光作為光源，促進小球藻在特定強光照條件下提升生物質(zhì)得率和固碳水平，藻生物量干重濃度可達20克每升培養(yǎng)液，為當時已知報道最高水平。

這項成果通過優(yōu)化設(shè)計LED光源等，解決了微藻高密度培養(yǎng)的關(guān)鍵問題，并使得光能生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換率得到顯著提升，受到IEEE Fellow、加拿大工程院院士Edward Sargent等頂尖學(xué)者的高度肯定?，F(xiàn)已開發(fā)測試不同規(guī)模的光生物反應(yīng)器，對效率和放大可行性進行系統(tǒng)評估。

此外，傅維琦還利用參與構(gòu)建的模式綠藻萊茵衣藻的全基因組代謝模型，開展微藻實驗室適應(yīng)性進化研究，同時利用自主設(shè)計的新型光生物反應(yīng)器提升產(chǎn)品得率，提出藻類開發(fā)的新思路和新方法。他結(jié)合適應(yīng)性進化研究系統(tǒng)開展了藻類重要色素等天然產(chǎn)物的代謝組學(xué)研究，揭示了微藻主要色素的代謝途徑，并獲取小球藻、杜氏鹽藻、三角褐指藻等不同微藻中色素的特征化圖譜，同時為快速分析不同藻種及復(fù)雜生物樣品中色素的測定建立標準化流程和方法，為色素代謝工程研究奠定良好的基礎(chǔ)。研究成果被藻類領(lǐng)域先驅(qū)愛爾蘭皇家學(xué)院院士Christine Maggs、歐洲藻類生物質(zhì)協(xié)會創(chuàng)始主席Mario Tredici等大幅引用并高度評價。

值得一提的是，適應(yīng)性進化方法不僅可以有效提升微藻的光合作用效率，同時有助于科學(xué)家通過非基因工程手段改造微藻，從而實現(xiàn)次級代謝產(chǎn)物等高附加值產(chǎn)品的積累。目前該方法已被中國、美國、加拿大、澳大利亞、荷蘭、日本、韓國、俄羅斯、以色列等國的知名科學(xué)家廣泛接受并應(yīng)用于微藻領(lǐng)域的教育培訓(xùn)、科學(xué)研究和工業(yè)開發(fā)項目，在澳大利亞昆士蘭大學(xué)及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)公司、荷蘭農(nóng)業(yè)部成立的微藻生產(chǎn)和研究中心等地得到應(yīng)用，產(chǎn)生了較為廣泛的國際影響。

傅維琦還以微藻色素代謝組學(xué)研究為基礎(chǔ)，開展微藻合成生物學(xué)及系統(tǒng)生物學(xué)研究，并開發(fā)胞內(nèi)光譜轉(zhuǎn)換（ISR）等全新方法提升強光下硅藻的光合作用和產(chǎn)率，為新型生物反應(yīng)器設(shè)計開發(fā)以及微藻高密度大規(guī)模培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。該研究成果揭示海藻在強光照條件下的抗逆境機制，提出了優(yōu)化藻類及植物光合作用效率的新方案，實現(xiàn)了高光照條件下的微藻高密度培養(yǎng)，具有極大的產(chǎn)業(yè)化潛力，也為推動微藻資源可持續(xù)性發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

此外，傅維琦發(fā)現(xiàn)特定信號傳導(dǎo)基因可以逆轉(zhuǎn)硅藻的自然表面定殖過程。由于該研究的重要意義和潛在的深遠影響，《自然》（Nature Middle East）對傅維琦進行了在線專訪，并以專題“Searching for genes that could help turn off biofouling（尋找有助于阻斷生物污損的基因）”進行熱點研究報道，指出該研究為操縱基因從而逆轉(zhuǎn)自然界硅藻表面定殖的過程打開了大門，同時也為開發(fā)新型非化學(xué)防污方法奠定了基礎(chǔ)。

余秋雨在《借我一生中》寫道：“人生的路，靠自己一步步走去，真正能保護你的，是你的人格選擇和文化選擇。”國外的科研工作經(jīng)歷，讓傅維琦對中華文化保有更深切的認同感?？茖W(xué)沒有邊界，但科學(xué)家有自己的祖國。傅維琦心念祖國發(fā)展，希望為祖國貢獻自己的力量。帶著這樣的心愿，2020年，他毅然選擇放棄海外優(yōu)厚的待遇，回到母校繼續(xù)開展微藻基礎(chǔ)及應(yīng)用研究至今。

從現(xiàn)在到未來

2020年，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上向國際社會作出“碳達峰、碳中和”鄭重承諾。在今年的政府工作報告中，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為重點任務(wù)之一;“十四五”規(guī)劃也將加快推動綠色低碳發(fā)展列入其中。據(jù)了解，微藻作為可以進行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、適應(yīng)環(huán)境性強等優(yōu)點，相當于森林固碳能力的10～50倍。每年由微藻光合作用固定的二氧化碳占全球二氧化碳固定量的50%以上。發(fā)展微藻固碳技術(shù)為國家實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”發(fā)展目標提供了一種很好的選擇。

“隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對生態(tài)環(huán)境的重視程度只會越來越高。我們研究海洋生物技術(shù)，也是希望能夠解決一些關(guān)系到國家重大需求的問題，利用這些技術(shù)，對污染源治理和生態(tài)環(huán)境保護起到一些基礎(chǔ)性的指導(dǎo)作用?！睉汛е兇獾目蒲谐跣模稻S琦正在浙江大學(xué)“百人計劃”研究員的崗位上積極組建團隊，與學(xué)院及校內(nèi)外相關(guān)團隊展開密切合作，助力國家“實現(xiàn)碳達峰、碳中和”的目標。

展望未來，傅維琦將帶領(lǐng)團隊進一步推進微藻開發(fā)相關(guān)研究，建立系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)兩大技術(shù)平臺，將碳生物地球化學(xué)循環(huán)基礎(chǔ)研究和生物工程開發(fā)有機結(jié)合，解析海洋微藻在全球碳循環(huán)中的重要作用，并通過生物固碳效率的突破，為保護和修復(fù)生態(tài)環(huán)境貢獻己力。此外，他還將繼續(xù)其海洋微藻的適應(yīng)性進化基礎(chǔ)研究，將海洋藥物開發(fā)的科研任務(wù)提上日程。

“在未來，我們會遇見過去?！痹谖磥恚稻S琦也將在探索海洋微生物的旅程中擁抱最初的夢想，遇見最好的自己。