化学品绿色制造核心技术——合成生物学

肖文海，王颖，元英进

（1天津大学系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072；2天津化学化工协同创新中心合成生物学平台，天津 300072）



化学品绿色制造核心技术——合成生物学

肖文海1,2，王颖1,2，元英进1,2

（1天津大学系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072；2天津化学化工协同创新中心合成生物学平台，天津 300072）

摘要：合成生物学即生物学的工程化，因其打破了非生命化学物质和生命物质之间的界线，推动了生命科学由理解生命到创造生命的革新，因此对科学发展和技术创新起到了颠覆性作用，引发了化学品绿色制造的巨大变革。合成生物学作为化学品绿色制造的核心技术，主要从原料到菌种再到过程进行全链条设计和优化。本文首先从原料多样化、产品的合成与底盘细胞的选择这三个方面，综述了化学品绿色制造过程中合成生物学所起到的关键核心作用。在此基础上系统阐述了人工体系的设计与构建，并对今后如何通过发展合成生物学来促进化学品绿色制造，从“原料、底盘细胞、反应过程”这三个方面提出了相应的展望。

关键词：合成生物学；化学品制造；生物能源；药物；原料；底盘细胞；生物过程

1 合成生物学的颠覆性特征及对化　　学品绿色制造的影响

图1 合成生物学对科学发展与技术创新的颠覆性影响Fig.1 A disruptive role played by synthetic biology in development of science and technology

合成生物学，即生物学的工程化。该技术突破自然进化的限制，以“人工设计与编写基因组”为核心，可针对特定需求从工程学角度设计构建元器件或模块。通过这些元器件对现有自然生物体系进行改造和优化，或者设计合成全新可控运行的人工生物体系[1-7]。合成生物学是“自下而上”的研究体系，对科学发展产生了革命性和颠覆性影响（图1）。一方面，合成生物学打破了非生命化学物质和生命物质之间的界线。该技术以“工程化设计与模块化制造”为导向，从脱氧核苷酸出发，经DNA小片段到DNA大片段乃至到整个基因组，从单一零散的元器件到功能模块再到整个生命系统网络，“自下而上”地逐级构筑生命活动，实现从非生命物质到生命体系的跨越[8-10]。另一方面，合成生物学革新了当前生命科学的研究模式。从以DNA双螺旋结构的发现和“遗传中心法则”的提出为代表的生物学第一次革命，到以测序技术的发明和“人类基因组”计划的诞生为标志的生物学第二次革命，整个生物学研究体系一直延续“从整体到局部”、“自上而下”、逐级深入的研究模式。尽管这种研究模式促进人们逐步理解微观生物分子（DNA、RNA、蛋白质、代谢物）之间的相互作用以及这些分子与生物功能的内在联系，但依旧难以解析生物体内协调有序的运行模式和生物由简单到复杂的进化历程。代表了生物学第三次革命的合成生物学应运而生，提出了“从局部到整体”、“自下而上”的研究思路，即通过构建人工生物系统，总结人造生命设计构建的原理和规律，以一个全新的视野角度，对天然生物系统的工作原理和运行规律，乃至生物起源进化、生物结构和生物功能等生物学重大基本问题进行研究和解析。因此，合成生物学实现了生命科学由理解生命到创造生命的革新，而生命科学从读取自然生命信息发展到写出人工生命信息的时代。

合成生物学从起初的概念验证阶段（大规模合成、编辑基因组和生物学研究工程化）发展到目前对化学品绿色制造的促进阶段。世界各国政府和权威评估机构日益关注和重视合成生物学及其对生产大宗化学品、精细化学品以及高附加值的生物医药产品的推动作用（图1）[11]。麦肯锡研究所和达沃斯论坛将合成生物学定为颠覆性技术，预测该技术将驱动相关市场和全球经济的革命性发展。2014年5月美国国防部将合成生物学技术列为21世纪优先发展的六大颠覆性技术之一[12]；2013年美国能源部对美国国会发表合成生物学国会报告[13]；2015年美国发布了《生物技术工业化：化学品先进制造路线图》，将合成生物学列为核心发展技术[14]。麦肯锡全球研究所发布的研究报告将合成生物学评价为未来的十二大颠覆性技术之一，预测2025年合成生物学和工业生物技术产值将达到1000亿美元左右[15]。英国商业创新技能部将合成生物学列为未来的八大技术之一，预测2020年合成生物学产业规模将达620亿英镑[16]。

合成生物学的颠覆性已经引发以“设计-构建-检验”循环为特征的产业革命。2015年美国发布了《生物技术工业化：化学品先进制造路线图》，化学品的先进制造受到越来越多的关注。化学品制造已经开始原料路线由化石资源向可再生生物资源转移、加工路线由化学制造向生物制造转移的变革。高能耗、高污染、大规模的传统化学品制造工业已经不能适应社会发展的需要。2015年5月8日，我国国务院发布《中国制造2025》，这是中国版的“工业4.0”规划。该规划在生物医药重点领域提出了“全面推进绿色制造”的重点任务，将努力构建“高效、清洁、低碳、循环”的绿色制造体系。而利用合成生物学设计、构建化学品合成人工生物体系，同时可以高效利用传统工艺不能利用的生物质资源，尤其是工业、农业、生活废弃物，降低对化石资源的依赖，减少废弃物的排放，以利于环境资源的保护。因此，颠覆性的合成生物学必将作为生物经济发展的新兴技术，驱动我国未来化学品先进制造和生物经济的革命性发展。

2 化学品绿色制造过程中合成生物学的作用

合成生物学是绿色制造的核心，主要从原料到菌种再到过程进行全链条设计和优化。不同于传统微生物发酵生产模式，化学品先进制造并非依赖于对产物天然合成菌株进行优化，而是重新合成全新的人工生物体系，将原料以较高的速率最大限度地转化为产物[17-18]。整个生产链条可分为原料的利用、底盘细胞的选择和优化以及产品的生产3个部分（图2）。

图2 化学品绿色制造过程Fig. 2 Chemicals green manufacturing process

2.1 原料多样化对合成生物学提出的要求

作为发酵过程中首要元素，碳源是决定化学品生物制造，特别是大宗化学品和生物燃料这类附加值低但市场需求量极大的化合物合成成本的关键因素[18]。最为常用的碳源为糖类，特别是葡萄糖。但是淀粉来源糖类的大量使用，引发了“食品与能源”的矛盾，也有成本问题。化学品绿色制造倡导使用农业、工业、林业的副产物或废弃物，例如纤维素、半纤维素、木质素等。木质纤维素经过物理化学预处理（如稀硫酸、氨气爆破、蒸汽爆破等）或生物酶（纤维素酶和半纤维素酶等）水解后，产物不仅有葡萄糖、甘露糖、半乳糖等六碳糖，还有木糖、阿拉伯糖等五碳糖，水解液中还含有多种毒性副产物（如乙酸、糠醛、酚类等）。因此，应用于化学品生物制造的底盘细胞必须兼具同时高效利用五碳糖和六碳糖的能力以及对复合抑制剂的耐受能力。Jin 等[19]将五碳糖、六碳糖利用和乙酸还原路径一起整合到酿酒酵母细胞中，实现了纤维二糖、木糖和乙酸的同时利用来生产乙醇，这为最终实现木质纤维素的利用打下了良好的基础。此外，还可以通过人工构建混菌培养体系来实现五碳糖和六碳糖的协同利用[20]。在如何提高底盘细胞对抑制剂的耐受方面，对抑制剂耐受机制的解析和功能模块的抽提是目前研究的主要方向。例如Sa-Correia等[21]通过筛选酿酒酵母单基因敲除突变库发现一些转录调控因子以及钾离子、葡萄糖等物质的跨膜转运系统可显著影响酿酒酵母对乙酸的耐受性，但与乙酸耐受直接相关的基因仍需进一步解析。

大气层中含量最丰富碳氢化合物甲烷和温室气体的主要成分CO2及其衍生物甲醇、合成气、甲酸等C1原料也是化学品制造的重要原料来源。光合自养型微生物可直接利用光能固定CO2，合成糖等有机物。例如，可以利用蓝细菌以CO2为底物，通过光合发酵合成甘油三脂[22]。甲烷短杆菌属、甲烷球菌属、甲烷微菌属和甲烷八叠球菌属的微生物可固定CO2合成甲烷。但该反应需在厌氧条件下进行，并需要氢气等强还原气体[23-24]。以甲烷单加氧酶为特征酶的甲烷氧化菌，可将甲烷依次氧化生成甲醇、甲醛、甲酸和CO2。中间代谢产物甲醛可通过磷酸戊糖途径或丝氨酸途径进入同化代谢途径，合成乙酰-CoA等重要中心代谢产物[25]。甲烷氧化菌在营养物质供应不均衡时可以合成聚羟基脂肪酸（可降解塑料）[26-28]。因此，甲烷氧化菌是一种适用于能源及可降解塑料生产的底盘菌株。若要在化学品生物制造中有效利用CO2、甲烷等C1原料，一方面需要对可利用天然C1原料的微生物进行实验室驯化，有针对性地开发遗传操作系统和合成生物学相关技术平台；另一方面，需针对常用底盘细胞，研究C1原料利用最小模块。例如在分析天然光合作用的基础上，设计、构建最小CO2固定模块，以期通过模拟并改造光合作用固碳过程，利用CO2和太阳能合成产品[18]。

2.2 通过合成生物学技术生产的重大产品

作为化学品绿色制造的核心技术，合成生物学已经广泛应用于各类化学品的生产中，如大宗化学品、生物能源、食品添加剂和生物医药等。与传统的化学合成以及代谢工程技术相比，在化学品制造领域，合成生物学技术在非天然分子生物合成、新的代谢通路的创建和代谢路径异源构建方面有着特有的优势。

① 合成生物学可以通过不同生物来源的元件和模块的设计和组合，合成非天然分子。Zhang等[29]通过在大肠杆菌体内人工构建非天然分子β-甲基-δ-戊内酯的合成代谢通路，即在甲羟戊酸代谢途径的基础上引入了来自烟曲霉的乙酰-CoA连接酶编码基因sidI和烯酰-CoA水合酶编码基因sidH以及酵母来源的烯醇还原酶编码基因oye2，实现β-甲基-δ-戊内酯的生物合成。该非天然分子经过后续的化学修饰和聚合能够形成一种较聚乙烯、聚苯乙烯弹性更佳的新型材料[29]。

② 合成生物学根据工程学和反应的原理，可以人工设计非天然存在的代谢路径，进而合成所需目标产物或者实现特定的功能。Zhao等[30]在大肠杆菌中引入了来源于戊糖乳杆菌的乳酸脱氢酶编码基因d-ldh和大肠杆菌内源羟化酶混合物编码基因hpaBC，成功创建了从酪氨酸到丹参酸A的非天然代谢通路，并且通过上调丹参酸A合成模块的表达量以及阻断竞争代谢通路，最终使丹参酸A的产量达到7.1 g·L-1。Toshiaki等[31]通过在罗尔斯通氏菌中同时引入丁烯醇-CoA羧化酶编码基因ccr、中等长度碳链烯酰-CoA水合酶编码基因 phaJ4a以及丙二酸单乙酯酰-CoA脱羧酶编码基因emd，人工构建了从果糖到聚(R)3-羟基丁酸-(R)3-羟基己酸[poly((R)-3-hydroxybutyrate-co-(R)-3-hydroxyhexanoate)，P(3HB-co-3HHx)]的代谢途径，最终获得了可以生产富含C6单体（HHx）的菌株。

③ 合成生物学可以在改造和优化天然表达体系的同时，将动物源和植物源的代谢路径构建到微生物体系中，最终实现目标代谢物的异源表达。Ajikumar等[32]在大肠杆菌中构建了来自于植物红豆杉中的紫杉二烯合成途径，并通过模块调谐使紫杉二烯的产量提高了6000倍。Leonard等[33]通过合成生物学技术将来自银杏树中的左旋海松二烯合成途径成功构建在大肠杆菌中，并且通过与蛋白质工程相结合的底盘菌株优化，使目标产物的产量达到约800 mg·L-1。2003年，法国国家科学研究所分子遗传学中心的Denis Pompon与Transgene 公司合作研究，通过引入哺乳动物蛋白源蛋白 matP450scc (CYP11A1)、matADX、matADR以及线粒体靶向的ADX、CYP11B1、3βHSD、CYP17A1和CYP21A1,首次实现了酿酒酵母中氢化可的松的全生物异源合成[34]。

在化学品制造领域，合成生物学在不断创造新分子、创建新的代谢通路以及丰富可异源表达的化学品种类的同时，对相应化学品的产业化也有着极大的促进作用，已经有很多项目达到或者接近产业化水平[18]。表1中列出目前有代表性的一些生物制造化学品及其生产公司和研发现状。这些产品包括市场需求大的生物燃料（例如生物柴油、生物航空燃油、丁醇、异丁醇）和大众化学品（例如1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、聚羟基脂肪酸酯、丁二烯），也包括高附加值的食品添加剂（例如瓦伦烯、诺卡酮、香豆素、白藜芦醇、藏红花素、甜菊糖）和药物（青蒿素、头孢氨苄、糖尿病治疗药物EV-077、抗生素EV-035）。其中，1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、异丁醇、生物柴油和生物航空燃油、瓦伦烯、诺卡酮、香豆素、青蒿素、头孢氨苄等产品项目已经达到商业化规模，进入实际投产阶段（表1）。

表1 化学品合成生物制造示例Table 1 Examples of chemicals bio-manufacturing

2.3 底盘细胞的选择和优化

在合成生物学的推动下，人工细胞将逐步取代目标产物天然合成菌株，成为化学品生物制造链条的核心。根据特定需求（例如底物、产品、生产过程等）设计的人工细胞，是实现化学品先进制造“能效提升、清洁生产、循环利用”的基础。由于具备安全性、鲁棒性（遗传稳定性和性状稳定性）、适于高密度发酵、遗传背景清晰、基因操作体系成熟等特点，大肠杆菌、酿酒酵母等模式微生物常被用来构建用于化学品绿色制造的底盘细胞。不同的宿主系统由于其自身的特性，往往偏好于合成某一类产物[35]。以大肠杆菌和酿酒酵母为例。尽管大肠杆菌适合于合成萜类碳骨架，但由于它在蛋白表达时缺乏后续修饰能力[36]且没有完善的内膜系统，因此在表达真核细胞来源的蛋白过程中受到限制[37]；而作为真核生物的酵母，具有优于细菌的蛋白表达和修饰能力和内质网膜等完整的内膜系统，更适合作为复杂天然产物异源合成的宿主平台。例如在青蒿素合成中，酿酒酵母比大肠杆菌能提供更多的前体物质[38]。对于合成生物能源来说，大肠杆菌由于胞内脂肪酸含量高、脂肪酸合成速率高以及可将脂肪酸及其衍生物分泌到胞外的特性，适于合成脂肪酸及其衍生物；而酿酒酵母由于有机溶剂耐受性高、天然具备合成乙醇的能力，适于合成乙醇、丁醇、异丁醇等醇类物质及其衍生物[39]。

底盘菌株若要满足实际生产的需要，还需具备抗逆性好（耐受渗透压、pH、温度、醇、乙酸等）、底物选择范围广等特性，以应对复杂、非理想化的实际生产环境[18]。这些特性一般不是这些模式生物天然具备的，需构建相应的耐受模块和原料转运同化模块导入宿主细胞中予以实现[40]。同时人们还致力于驯化、开发具有高耐受性或特殊原料选择性（特别是光合自养型和化能自养型生物）的非模式微生物作为宿主菌株，以构建生产特定产品的底盘细胞[22]，发展经济、绿色、高效、稳定的生产过程。

人工混菌体系也是一类很好的底盘体系。人工混菌体系与单细胞体系相比，尤其是在构建长的代谢通路或者完成更为复杂的功能方面有着如下3个方面的优点：① 混菌体系中细胞间作用关系处于动态平衡，对环境波动更具强的适应性和稳定性；②混菌体系中不同细胞功能分工，适于同时完成多项复杂工作；③ 不同来源、不同功能的元件和模块可以在不同细胞中构建，既减轻对单细胞底盘的代谢负荷，又便于将功能分区、避免功能间的交叉影响[41]。2015年美国麻省理工学院的Gregory Stephanopoulos教授课题组[42]将萜类代谢途径构建到大肠杆菌-酿酒酵母的人工混菌体系中，成功实现了抗癌药物紫杉醇重要前体Taxa-4(20), 11(12)-dien-5alpha-acetoxy-10beta-ol的大量积累，产量达到33 mg·L-1，为最终实现紫杉醇的异源生物合成奠定了坚实的基础。同时该工作研究者还证明，所构建的混菌体系同样适用于其他萜类物质的合成，例如合成香料诺卡酮和药品丹参酮的重要前体铁锈醇[42]。

3 化学品制造人工体系的设计与构建

在合成生物学“自下而上”的研究策略指导下，化学品制造人工体系将遵循“工程化设计与模块化制造”的原则，根据理性设计，采用标准化的生物元件，构建通用型的功能模块，在一定的底盘生物上组装成为具有特定功能的人工制造体系[18, 35, 43]，并对功能模块与底盘进行适配，以实现人工体系运行效率的最优化（副产物生成率低、底物转化效率高、终端产物生成速率高、生物量高、鲁棒性好）。其具体设计和构建流程分为以下3个方面（图3）。

图3 化学品制造人工体系的设计与构建Fig. 3 Design and construction of artificial system for chemicals manufacturing

3.1 合成模块的设计与构建

这一环节包括元器件设计优化和模块设计组装。根据产品合成路径中不同的反应步骤，设计各个功能模块。在这里不仅要注重产品的合成路径，也要兼顾原料的转运和同化过程，并按照实际需求引入相应模块，例如糖转运和代谢模块、生物质降解模块、光合作用固碳模块等。其中，由于纤维素等生物质的降解过程发生在胞外，所以还需要引入蛋白分泌表达系统模块，并考虑在底盘细胞表面构建优化支架蛋白、锚定蛋白等纤维素结合模块系统[44]。在构建合成模块时，需将不同的启动子、核糖体结合位点、终止子、功能基因、选择标签等具有特定功能的序列进行标准化、元件化[45]。其中，编码具有特定功能蛋白的基因序列，需考虑不同来源的同工酶在催化活性和底物、产物特异性上的差异，并按照宿主菌株的密码子偏好性对选定的蛋白序列进行优化。然后按照既定设计，选取特定的元器件进行拼接组装[8, 46]，进而构建合成模块。

3.2 底盘细胞的功能优化

在这一环节中，根据不同产品及相应制造需求（原料利用、生产环境、合成途径等），选择合适的宿主菌株，并将特定需求细化到细胞具体的代谢改造上。这里对底盘细胞的优化要考虑以下几个方面：① 胞内代谢流的流向和分配：通过减弱非必需旁路途径、抑制产物的分解、上调前体的合成通路等，增强从底物到产物的代谢流，并使代谢流直接从底物流向产物；② 抗逆性：例如使细胞耐受单一或者复杂生产环境，耐受具有生理毒性的底物、产物或中间代谢物；③ 低氧状态下氧的高效吸收和利用；④ 辅因子和能量平衡；⑤ 终端产物的转运[18,35,43]。除引入并过表达相应的功能模块、敲除或下调旁路竞争途径和导致产物降解的编码基因[18, 35, 43]，还可考虑通过空间结构调控（即蛋白融合和蛋白重定位）产物合成模块中的蛋白，以增强产物合成路径的代谢流量[43, 47-48]。

传统改良菌株性状的方法是紫外线照射或化学随机诱变。现在可以通过基因组重构引入相应的功能模块，以弥补底盘细胞功能的缺陷。同时，还可以借鉴代谢工程中“自上而下”的底盘优化思路，通过诸如CRISPR-Cas系统[49-51]、MAGE[52]等染色体编辑技术[53]，在基因组范围内生成随机突变，以构建大容量突变文库，通过高通量筛选将正向突变或有利表型挑选出来。此外，还可以设计选择压力，通过适应性进化对底盘细胞进行优化[54-55]。

3.3 模块和底盘细胞的适配

这一环节包括元件强度调节、模块强度调节以及网络模块调控。在上述底盘菌株的构建和优化过程中，有针对性地阻断、削弱或强化底盘菌株某些代谢通路，或引入异源模块，往往会打破菌株内部原始的动态平衡，加重宿主细胞负担，甚至产生具有生理毒性的代谢产物[56-58]。这些因素都严重制约了菌体的正常生长或延长生长延滞期[59]。而底盘细胞性能的最优往往取决于各模块间以及模块与底盘细胞之间的配合。这需要一方面引入逻辑模块和调控模块，即通过引入由感受蛋白和调控蛋白组成的动态调控系统[59]，或构建基因回路[60]，来感知环境变化（例如终产物的合成以及中间体的消耗速率），调整代谢路径中各基因的表达强度[60-61]，达到动态调节代谢流的目的[57, 59]。另一方面，还可以通过调整各元件、模块的强度，来实现模块与底盘的适配。例如，调节启动子强度和起始转录模式、调整核糖体结合位点序列和非编码基因序列、改良限速酶催化活性和特异性、通过核糖体和δ位点多位点整合提高模块拷贝数和调整模块表达强度等[18, 35, 43]。此外，各元件、模块间的组合设计也可实现不同模块间的耦合和表达的精细调控[52, 62]。

4 化学品绿色制造未来发展方向

目前以生物转化为核心的化学品绿色制造在整个化学品制造中所占的比重很小[14]。为促进化学品绿色制造的飞速发展，提高绿色制造产品市场占有率，建立“高效、清洁、低碳、循环”的制造模式，建议研究者应重点围绕“原料、转化过程和底盘细胞”这3个方面，实现以下技术瓶颈的突破（图4）。

4.1 以经济、环保、高效为导向，开发新型原料与预处理工艺

第一代以淀粉为碳源的生物制造存在着影响粮食供应安全以及高成本等缺点，寻找更为廉价和易得的原料才能最大限度地提升生物制造的优势。为实现可持续发展的战略目标，提高原料的利用效率，降低制造工业对环境的影响，研究者应着重发展新型清洁碳源，即通过生物学途径将稀糖液、纤维素、半纤维素、木质素以及废弃物等原料转化为可被底盘细胞利用的单糖或合成路径中间体。如农作物秸秆，我国每年的农作物秸秆的理论资源量在8亿吨以上，这是一个有待开发的巨大资源库。同时也要注重利用C1化合物的发酵研究，增强人们对相关宿主系统以及反应过程的认识，以提高以C1化合物为原料的化学品生物制造的经济效率。国际上ICI、INEOS Bio、LanzaTech、Newlight Technologies等公司已经在如何利用C1资源方面做了大量富有成效的工作[14, 18]。此外，研究者还应发展以金属、硅为核心的非碳基原料的利用[14]。

4.2 优化生物转化过程，提高生产规模和经济效益

生物制造大都采用以“有氧、分批、纯菌”为特点的发酵体系。近些年来为提高产量或转化率，研究者的目光都集中于生产菌株的改造方面，而忽视对发酵所用设备、工艺的优化。而这一方面恰巧就是阻碍生物制造在工业领域被大规模应用的主要原因之一。因此，研究者要注重对传质和传热、产品连续分离和水循环利用等相关装置和生产过程的开发，着重对无细胞反应体系和混菌生产体系（多菌种共培养、底物共利用、产物共合成）进行研究。同时还应研发基于小规模反应的生产规模放大预测计算工具，以加速化学品生物制造的实际投产过程。

4.3 底盘细胞的智能化制造

底盘细胞是整个化学品绿色制造链条的核心。人工合成生物体系在从生物模块到系统网络的各个层次上，采取“设计--构建--检测--再设计”的循环构建方式[18, 35, 43]。其中设计是整个过程的基础。对底盘细胞的设计包括对合成路径的设计、对元件和模块的设计、对DNA组装方法的设计以及对底盘优化策略的设计[35, 61]。针对每一个环节都应开发相应的计算机辅助设计工具。其中还应着重开发酶定向进化相关的分析预测工具，以提高现有反应酶类的催化活性和特异性，创造可催化非天然反应的蛋白。同时还应注重相关数据库和云计算分析平台的开发。实际上，计算机辅助设计不仅局限于对底盘细胞的设计，它还包涵对细胞个体到生物反应系统再到生物反应器的各个水平的设计，形成整个生产工艺流程标准化集成设计链条。

图4 化学品先进制造未来发展方向Fig. 4 Future direction of chemicals advanced manufacturing

快速、准确的检测技术是评估所构建的合成路径及底盘细胞的有效手段。这里需要对底盘细胞从基因、蛋白、代谢3个水平进行监测。易于操作、低成本、高效率、高精度、高通量、体内实时监测是检测技术的发展方向。而构建这一环节包括合成路径的构建和底盘细胞的优化。一方面，需要降低基因合成与大片段拼接组装的成本，提高工作效率。建立自动化生物制造平台是有效的解决方案之一。该平台首先由计算机系统对人工生物系统及其构建方法进行设计，再交由机器人进行构建和发酵生产，最后由高通量分析仪器对制造过程和目标产物进行分析[61]。另一方面，还需要扩大可操作底盘细胞的物种范围，尤其对在原料利用和特殊产品生产中具有明显优势的宿主菌株进行驯化，有针对性地建立遗传操作体系，开发染色体编辑工具。同时还要围绕增强底盘细胞鲁棒性展开研究，以利于实际生产规模的放大。

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Core technology in chemicals green manufacturing: synthetic biology

XIAO Wenhai1, 2, WANG Ying1, 2, YUAN Yingjin1, 2
(1Key Laboratory of Systems Bioengineering (Ministry of Education), Tianjin University, Tianjin 300072, China;2SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072, China)

Abstract:Synthetic biology is the engineering of biology. Because it breaks the boundary of inanimate chemicals and life matter, and also promotes life science from understanding to creating, the synthetic biology has played a disruptive role in the development of science and technology, leading to great changes in chemical green manufacturing. Synthetic biology, as a core technology in chemical green manufacturing, mainly focuses on the design and optimization from raw materials to chassis and then the whole process. From the raw materials diversity, chemicals production and chassis selection aspects, the key role of synthetic biology in the chemical green manufacturing process, and also systematically elaborated the design and construction of artificial systems were summarized in this paper. In terms of feedstock, host cell and process, three aspects of outlook on how to develop synthetic biology to promote chemicals green manufacturing in the future were also proposed.

Key words:synthetic biology; chemicals manufacturing; bioenergy; pharmaceuticals; feedstock; chassis; bioprocess

中图分类号：TQ 033

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）01—0119—10

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151033