探究光合微生物奧秘 聚焦科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略
——記浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”研究員傅維琦

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(ài)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(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)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(guó)家級(jí)應(yīng)用科學(xué)獎(jiǎng)，當(dāng)選為冰島科學(xué)院院士，擔(dān)任歐盟委員會(huì)基金評(píng)審特邀會(huì)評(píng)專家……

研究成果受到國(guó)際學(xué)界高度認(rèn)可，埋首光合微生物（微藻）資源工程研究十二載，國(guó)家級(jí)高層次青年人才、浙江大學(xué)“百人計(jì)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。”不管是順境還是逆境，他都將其理解為實(shí)驗(yàn)學(xué)科獨(dú)有的魅力。懷抱讓研究成果為國(guó)所用、為民所用的夢(mèng)想，回國(guó)后傅維琦帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為發(fā)展我國(guó)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(shí)候，微藻資源工程在國(guó)內(nèi)并不是熱門的研究方向，對(duì)于當(dāng)時(shí)的科研工作者來(lái)說(shuō)，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(shuō)起。當(dāng)時(shí)，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(guò)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(xì)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(dòng)力藥物治療皮膚癌等，并可開發(fā)成為植物生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)。過(guò)往的5年時(shí)間里，傅維琦一直在思考未來(lái)的科研方向，最終他得出一個(gè)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(lái)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(shí)，傅維琦師從生物工程與系統(tǒng)生物學(xué)先驅(qū)、美國(guó)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。“他很開明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)失敗時(shí)，他會(huì)開導(dǎo)我說(shuō)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中有三分之一左右的實(shí)驗(yàn)往往會(huì)以失敗告終，經(jīng)歷一兩次失敗不算什么，從頭再來(lái)就好。”

傅維琦

這一時(shí)期，傅維琦主要的研究對(duì)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(guò)程中氧氣的生產(chǎn)者，是高等植物進(jìn)化過(guò)程中的共同原始祖先，是初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者。這一古老物種雖然形貌微小，但它的一項(xiàng)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(shí)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?yán)眠m應(yīng)性進(jìn)化、系統(tǒng)生物學(xué)等工程化方法設(shè)計(jì)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(lái)，傅維琦收獲了諸多有代表性的研究成果。

傅維琦設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)小球藻生長(zhǎng)，并采用不同光譜和光強(qiáng)的高頻脈沖光作為光源，促進(jìn)小球藻在特定強(qiáng)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(dá)20克每升培養(yǎng)液，為當(dāng)時(shí)已知報(bào)道最高水平。

這項(xiàng)成果通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)LED光源等，解決了微藻高密度培養(yǎng)的關(guān)鍵問(wèn)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。現(xiàn)已開發(fā)測(cè)試不同規(guī)模的光生物反應(yīng)器，對(duì)效率和放大可行性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)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(shí)驗(yàn)室適應(yīng)性進(jìn)化研究，同時(shí)利用自主設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)為快速分析不同藻種及復(fù)雜生物樣品中色素的測(cè)定建立標(biāo)準(zhǔn)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(ài)爾蘭皇家學(xué)院院士Christine Maggs、歐洲藻類生物質(zhì)協(xié)會(huì)創(chuàng)始主席Mario Tredici等大幅引用并高度評(píng)價(jià)。

值得一提的是，適應(yīng)性進(jìn)化方法不僅可以有效提升微藻的光合作用效率，同時(shí)有助于科學(xué)家通過(guò)非基因工程手段改造微藻，從而實(shí)現(xiàn)次級(jí)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(guó)、美國(guó)、加拿大、澳大利亞、荷蘭、日本、韓國(guó)、俄羅斯、以色列等國(guó)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(xiàng)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(guó)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)光照條件下的抗逆境機(jī)制，提出了優(yōu)化藻類及植物光合作用效率的新方案，實(shí)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(dòng)微藻資源可持續(xù)性發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，傅維琦發(fā)現(xiàn)特定信號(hào)傳導(dǎo)基因可以逆轉(zhuǎn)硅藻的自然表面定殖過(guò)程。由于該研究的重要意義和潛在的深遠(yuǎn)影響，《自然》（Nature Middle East）對(duì)傅維琦進(jìn)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(jìn)行熱點(diǎn)研究報(bào)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(guò)程打開了大門，同時(shí)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(hù)你的，是你的人格選擇和文化選擇。”國(guó)外的科研工作經(jīng)歷，讓傅維琦對(duì)中華文化保有更深切的認(rèn)同感。科學(xué)沒(méi)有邊界，但科學(xué)家有自己的祖國(guó)。傅維琦心念祖國(guó)發(fā)展，希望為祖國(guó)貢獻(xiàn)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(lái)

2020年，中國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上向國(guó)際社會(huì)作出“碳達(dá)峰、碳中和”鄭重承諾。在今年的政府工作報(bào)告中，“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”被列為重點(diǎn)任務(wù)之一；“十四五”規(guī)劃也將加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展列入其中。據(jù)了解，微藻作為可以進(jìn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)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(guó)家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展目標(biāo)提供了一種很好的選擇。

“隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度只會(huì)越來(lái)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(guó)家重大需求的問(wèn)題，利用這些技術(shù)，對(duì)污染源治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到一些基礎(chǔ)性的指導(dǎo)作用。”懷揣著純粹的科研初心，傅維琦正在浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”研究員的崗位上積極組建團(tuán)隊(duì)，與學(xué)院及校內(nèi)外相關(guān)團(tuán)隊(duì)展開密切合作，助力國(guó)家“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)。

展望未來(lái)，傅維琦將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步推進(jìn)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(tái)，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(jī)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(guò)生物固碳效率的突破，為保護(hù)和修復(fù)生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)己力。此外，他還將繼續(xù)其海洋微藻的適應(yīng)性進(jìn)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(lái)，我們會(huì)遇見(jiàn)過(guò)去。”在未來(lái)，傅維琦也將在探索海洋微生物的旅程中擁抱最初的夢(mèng)想，遇見(jiàn)最好的自己。