2019工業生物學專刊序言

王欽宏，馬延和

2019工業生物學專刊序言

王欽宏，馬延和

中國科學院天津工業生物技術研究所，天津 300308

工業生物技術作為可持續發展的重要途徑，其創新發展離不開基礎學科的支撐。工業生物學研究工業環境下生物體行為的基本規律和作用機制，解決適應工業環境的生物體設計構建及應用的關鍵科學問題，是工業生物技術學科基礎。為了梳理和凝練工業生物學發展狀況，本刊特組織出版專刊，從工業蛋白科學、工業細胞科學和工業發酵科學三個方面，分別闡述學科的發展動態，展望未來的發展趨勢，為促進工業生物技術發展奠定基礎。

工業生物技術，生物制造，工業生物學，可持續發展

面對全球人口增長、氣候變化、環境污染、資源短缺等一系列嚴峻挑戰，實施創新驅動發展戰略，轉變經濟發展方式，貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”發展理念，實現綠色、循環、可持續物質供給模式與高質量經濟發展，著力創新生物技術、發展生物經濟是必選的科技戰略。目前，現代生物技術已經從生物醫藥、生物農業領域的應用，加速向工業領域滲透。工業生物技術是繼醫藥生物技術、農業生物技術之后全球生物技術發展的“第三次浪潮”[1-3]。

工業生物技術的發展為人類提供生產所需的基礎化學品、醫藥、食品、能源和材料等，是現代社會由化石經濟向生物經濟過渡的必要手段。世界經合組織的案例分析表明，工業生物技術應用可以降低工業過程能耗15%?80%，原料消耗35%?75%，空氣污染50%?90%，水污染33%?80%，生產成本降低9%?90%[4-5]。例如頭孢類抗生素原料頭孢氨芐的工業生物技術路線，每噸產品減少使用乙酰酸、乙酯四甲基胍、特戊酰氯等特殊化學原料約1.4 t，減少使用二氯甲烷、甲基異丁基酮及異丙醇等有機溶劑約8 t，減少COD排放約80%，減少能源消耗約30%；精細化學品L-丙氨酸全生物合成路線，從5步化工路線變為一步生物工藝，每噸產品減少二氧化碳排放0.5 t，生產成本降低40%以上，能耗減少30%，創造了一個化纖原料擺脫石油價格體系的范例；另外一個案例是基礎化學品丁二酸的工業生物技術路線，相比石化路線生產成本降低20%，能耗降低30%，CO2排放減少94%。

工業生物技術因其清潔、可再生，又被稱為白色生物技術[6]，其能源和工業原料方面可以不再完全依賴于化石能源，大幅減少溫室氣體排放，并能夠降低化學品生產成本和降低對有毒化學助劑的依賴性，是未來工業制造可持續發展的一個重要方向。《生物工程學報》一直關注工業生物技術領域的發展，曾于2008年[7]、2010年[8]、2011年[9]和2014年[10]出版過4期主題為“工業生物技術”的專刊，受到讀者的歡迎。工業生物技術在快速發展，支撐工業生物技術創新發展的工業生物學也隨之快速發展并逐漸成為成熟的學科。

工業生物學從分子、細胞和系統不同層次解析工業環境下生物體行為的基本規律與作用機制，突破適應工業環境的酶分子、細胞和多細胞體系的設計構建與優化調控等關鍵科學問題，提高精細化學品、重大化工產品、大宗發酵產品、天然產物等生物制造工藝效率，是工業生物技術學科基礎 (圖1)。盡管用生物科學的理論和方法來解決人類面臨的資源、能源和環境問題的潛力巨大，但總體上，生物科學在工業和制造業領域中的應用仍處于初期階段。生物體在工業體系中的行為規律還遠未被人們認識，生物體解決工業可持續發展問題的能力還遠未得到充分挖掘和利用。隨著經濟、社會發展對建立綠色、可持續工業體系的迫切要求，研究人員面臨著如何認識、設計、改造、構建具有新工業應用屬性的生物體的挑戰，面臨著如何提升工業生物技術與生物制造產業科技支撐能力的挑戰。因此《生物工程學報》于本期出版“工業生物學”專刊。本專刊分3個欄目，共16篇，分別從工業蛋白科學、工業細胞科學和工業發酵科學闡述工業生物學的發展現狀，展望未來的發展趨勢，推動學科的建設和成熟，以更好支撐工業生物技術發展。

圖1 工業生物學框架圖

工業蛋白科學是工業生物學分子層次的學科，核心內容是發展生物信息預測與計算蛋白質研究體系，研究工業酶蛋白的結構與功能構效關系，建立蛋白質序列與功能預測的技術能力，計算模擬蛋白質催化劑的構型構象，定向設計合成與優化改造人工酶和分子機器。劉衛東和孫周通團隊圍繞酶結構的可塑性及其催化功能的多樣性，闡述了工業酶蛋白的結構與功能的構效關系及其對設計改造與應用的重要影響，是實現酶蛋白理性設計，甚至從頭設計合成前提基礎。針對計算方法對工業蛋白質研究的重要性，劉海燕團隊系統闡述了用于工業酶研究的分子力學力場和分子動力學模擬、量子力學以及量子力學/分子力學結合模型、連續介質靜電模型、分子對接等主要計算化學方法的相關進展；許建和團隊詳細介紹了各種計算方法和設計策略用于解析酶的催化反應機理、提升酶的催化性能，從而為創新面向工業應用的高性能酶蛋白奠定基礎。吳邊與孫周通團隊在總結蛋白質工程發展趨勢的基礎上，重點評述了當前面向工業應用的計算機輔助蛋白質設計改造方面的進展與應用，指明了新的發展方向。鄭仁朝團隊闡述了酶在高溫、強酸/堿、高鹽、有機溶劑和高底物濃度等工業環境下的催化行為以及對其適應性改造的研究進展，為酶蛋白性能優化提供參考。針對近來多酶分子機器的巨大應用潛力，游淳團隊系統地綜述了基于酶元件/模塊的體外多酶分子機器的構建策略，以及改善多酶分子機器中酶元件/模塊之間適配性的研究進展，并分析了多酶分子機器的發展前景與挑戰。

工業細胞科學是工業生物學細胞層次的學科，核心內容是結合組學解析，系統研究和認識細胞生理和代謝功能的分子基礎，通過構建計算機細胞預測生理或代謝功能，將代謝途徑或系統模塊組裝成為能夠高效人工細胞或“細胞工廠”，并且研究和提升生產過程中與環境脅迫及滲透壓脅迫抗性相關的魯棒性、與高代謝活性相關的適應性，從而適應大規模工業生產的要求。以天然產物合成為例，陳實團隊結合基因組學相關技術的發展，綜述了天然產物合成的基因組破譯、解析以及激活方面的研究進展，為構建生產天然產物，甚至其他更多化學品的人工細胞提供了重要參考。針對認識細胞生理與代謝特征的需要，劉立明團隊系統評述了基因組規模代謝網絡模型的相關研究進展，分析了其在代謝網絡特性解析、細胞表型預測與設計指導以及進化過程與相互作用認識中的重要作用；馬紅武團隊進一步結合精確代謝網絡模型需要引入蛋白量、熱力學等約束條件，重點評述了多種酶約束模型的進展，以更準確真實地模擬和預測細胞在環境和基因擾動下的代謝行為，為人工細胞設計改造提供更準確可靠的指導。藺玉萍團隊介紹了細胞魯棒性狀的遺傳調控與脅迫響應機制、基因組全局擾動與多位點快速進化以及細胞水平氧還平衡的全局擾動方面的進展，指出了需要借助合成生物學等多種手段加強對工業環境下細胞魯棒性狀調控機理的解析及系統工程改造的必要性。在系統深入理解的基礎上，陶勇團隊從最優合成途徑創建、代謝流平衡、充足前體和能量供給、產物和代謝中間體的反饋抑制解除等方面綜述了“細胞工廠”設計與組裝的基本準則，為實現高效工業應用奠定基礎。

工業發酵科學是工業生物學系統層次的學科，核心內容是研究工業發酵中的細胞行為及自適應機制，發酵過程模擬仿真，發酵條件下對細胞代謝調控及基于細胞狀態的發酵參數快速智能控制。鄭平和孫際賓團隊不僅闡述了基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組與代謝流組等系統生物學研究方法及其對人工細胞改造的重要性，也介紹了組學對工業發酵過程優化與放大的影響；組學數據與宏觀發酵表型數據以及發酵罐的流體動力學數據的整合分析可以從微觀到宏觀，從分子到系統水平，全面認識工業發酵過程，并獲得高效放大優化的有效策略。李德茂團隊結合工業生物發酵過程模擬的進展與發展趨勢，評述了細胞和反應器信息的系統級整合可以深入了解復雜的發酵過程，并能實現過程的優化與控制，但是相關信息的整合需要建立更加復雜的模型框架，這是新一代工業發酵科學面臨的巨大挑戰。針對生物體在工業發酵過程中遭受環境脅迫或變化時會產生細胞自適應行為的現象，史仲平團隊以畢赤酵母異源蛋白表達和丁醇兩個典型發酵過程為例，闡述了環境變化條件下的細胞自適應行為及其基于自適應行為的發酵過程優化方法和策略，為利用基于細胞自適應行為的發酵過程優化提供了參考。堵國成團隊從發酵過程動力學模型、細胞代謝特性、發酵提取相耦合與反應器設計4個方面，總結和討論發酵過程多尺度解析與調控的研究進展，闡述了整合分析發酵過程不同尺度特征并且針對性地開展多尺度整合調控是實現高效工業生物發酵的重要策略。莊英萍團隊結合多尺度理論與裝備、細胞宏觀代謝在線檢測傳感技術以及生理代謝參數相關分析的相關進展，進一步對工業生物過程智能控制與傳感、大數據庫建立和數據深度計算以及生物過程智能決策進行了綜述和展望，為提升工業生物過程自動化、數字化和智能化水平提高了重要參考。

工業生物學是支撐工業生物技術重要學科基礎。作為一門新興的交叉學科，工業生物學邊界還不十分明確，但它在研究方式上具有生物科學、物質科學和工程科學緊密合作的特色，這種學科的密切交叉體現了現代技術科學的活力與優勢。多學科交叉滲透與集成創新已成為工業生物學發展的新方向。希望通過本專刊的推出，標定出我國工業生物學發展的新的“起點”。在這新的“起點”，通過生物學與物理學、化學、計算機科學和工程學的交叉與整合，使工業生物學不斷成熟和壯大，加速新一代工業生物技術的發展，促進形成新的工業生物產業形態，促進加工方式的變革和傳統產業的提升，為人類面臨的能源、資源和環境問題提供全新的解決方案。此外，本專刊內容上如有不足之處，希望各位同行和廣大讀者進一步批評指正。

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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，博士生導師，中國科學院“百人計劃”入選者，天津市創新人才推進計劃工業合成生物創新團隊負責人。2003年在中國科學院微生物研究所獲博士學位。2004?2009年先后在美國奧克拉荷馬大學和加州理工學院從事博士后。2016年榮獲天津市五一勞動獎章。主要從事工業生物的進化與代謝工程研究。近年來，在等領域主流SCI期刊發表科研論文40余篇，申請國家發明專利20項。現為學術期刊和《生物工程學報》編委。

馬延和 研究員，博士生導師，工業酶國家工程實驗室主任。主要從事極端微生物與生物工程的研究與應用。已在等雜志發表SCI論文250多篇，申請發明專利150多項，已獲授權60余項，主編專著2部。曾獲國家技術發明二等獎、中國科學院發明二等獎、中國科學院科技促進發展獎、中石化聯合會技術發明一等獎、中國輕工聯合會科技進步一等獎等。曾任國家863計劃生物醫藥領域專家組專家，國家973計劃重大項目首席科學家，現為國際學術期刊副主編、《中國科學：生命科學》《生物工程學報》編委等，為國家戰略性新興產業咨詢專家委員會委員、國家新材料發展咨詢專家委員會委員等。

王欽宏, 馬延和. 2019工業生物學專刊序言. 生物工程學報, 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

(本文責編 陳宏宇)