合成生物学与生物燃料

济南大学研究生课程考查试卷

课程编号：QZ283001课程名称：信息与文献检索学时16 学分 1 学号：20172120470 姓名牛浩学科、领域生物工程

学生类别：全日制专业学位成绩：任课教师（签名）

1、考核形式(采用大作业、论文、调研报告、实验报告等)：

课程论文

2、考查（内容、目的等）具体要求：

写一篇与所从事专业相关的综述性论文

字数在3000字左右

书写格式规范，论述清晰，层次分明

3、成绩评定说明（含平时成绩、考核成绩）：

平时成绩主要包括考勤和平时作业，考勤共计10分，平时作业共计20分，占总成绩的30%。

期末课程论文共计70分，占总成绩的70%。

总成绩为平时成绩与课程论文成绩的加和，即100分。

合成生物学在生物燃料领域的研究

摘要：本文简要介绍了合成生物学的概念，生物燃料的研究现状、研究前景以及未来可能会遇到的一些挑战。探讨了合成生物学在生物燃料研究中的应用进展包括提高生物质原料的转化特性、开发绿色高效生物催化剂、构建微生物细胞工厂以及设计合成多种生物燃料产品。最后对合成生物学在生物燃料领域的研究做出了展望。

关键词：合成生物学；生物燃料；研究现状；前景；挑战；应用进展

1 合成生物学概述

合成生物学(synthetic biology) 是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域。它既是由分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法，又通过按照人为需求( 科研和应用目标)，人工合成有生命功能的生物分子( 元件、模块或器件)、系统乃至细胞，并自系统生物学采用的“自上而下”全面整合分析的研究策略之后，为生物学研究提供了一种采用“自下而上”合成策略的正向工程学方法[1]。它不同于对天然基因克隆改造的基因工程和对代谢途径模拟加工的代谢工程，而是在以基因组解析和生物分子化学合成为核心的现代生物技术基础上，以系统生物学思想和知识为指导，综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素( 模块) 及其组合的工程化的资源库和技术平台，旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程，以及具有生命活动能力的生物部件、体系以及人造细胞和生物个体。

2 生物燃料研究现状与挑战

2.1 生物燃料的研究现状

生物燃料主要包括纤维素生物燃料(乙醇、丁醇等)、微藻生物燃料(生物柴油、航空生物燃料等)，以及最近两年研究较热的新型优质生物液体燃料(高级醇、脂肪醇、脂肪烃等)和利用新技术路线合成的生物乙醇与生物柴油(蓝藻乙醇、微生物直接利用纤维素水解糖体内合成生物柴油等)等。“可持续性”是生物燃料的核

心特征，其具体表现为：作为原料的生物质资源不与食物资源竞争;能量高，生

产过程减少对水、土地和肥料的消耗;不对环境或当地人口造成负面影响;产量大，成本低廉。

目前，为了提高生物燃料的可持续性、推进生物燃料的研发与应用，人们开展了各种新兴领域的研究与探索工作，并不断取得阶段性突破。从生物燃料的产业化现状来看，目前全木质纤维素类能源作物和藻类等原料类的应用颇具前景。目前美国已有数十家纤维素乙醇中试工厂在运行，预计第一家大规模纤维素乙醇示范工厂也将很快投入运营;高级生物柴油在芬兰和新加坡已经有大规模的工厂

开始生产，目前产量还相对较低，但在不远的将来有望实现完全商业化生产;微

藻制油技术由于成本较高，目前仍处于中试阶段，但在技术发展和商业运作方面已经有了一些有益的尝试，未来实现产业化的可能性很大[2]。

2.2生物燃料的前景与挑战

与太阳能、风能等可再生能源相比，生物燃料更适合直接用于交通运输燃料。预期至2050年，生物燃料将占总交通运输燃料的27%，尤其在替代柴油、煤油和喷气燃料方面将发挥重要作用，预计使用生物燃料每年将减少21亿吨二氧化碳排放。为达到此目标，许多传统技术需要改良以提高转化效率、降低成本，提升可持续性。美国生物技术工业组织(BIO)发的《基于RFS的纤维素和高级燃料的价值定位》政策白皮书中指出[3]，由于纤维素乙醇和其他高级生物燃料技术仍处于新兴阶段且成本昂贵，纤维素乙醇和高级生物燃料的技术仍处于研发和市场化前期阶段。事实上，已经有70多个先导项目的生物精炼示范工厂在美国北部实验性地运行，用以促进该技术的进一步提升。

当前，随着经济全球化趋势的不断深化和人类对于可持续发展的迫切要求，世界各国正在积极努力转变经济增长方式、调整经济和产业结构，并强化开发节能降耗措施，这给生物燃料的发展提出了综合环境与经济效益的新的标准。因此，各国从政策扶持、企业行动和技术集成等多方面入手，正在大力推进生物燃料的研发与应用[4]。为了跨越先进生物燃料从基础研发到技术应用的“死亡之谷”，核心途径是要突破生物技术领域的创新。合成生物学位于未来生物技术革命的前沿，融合了生物燃料从原料开发到转化加工等多个层面的技术创新，无疑是重要的突破点之一。

3 合成生物学在生物燃料研究中的应用进展

3.1 提高生物质原料的转化特性

合成生物学应用于植物生物工程学，辅助生物质原料作物的筛选和分子设计，有助于提高单位产量和抗菌抗病能力，进而提高生物质原料作物的光能利用效率，将其设计改造为高效的植物生物反应器。Mariam Sticklen 等发现了能够降解玉

米茎和叶片中纤维素的关键酶基因，并通过对玉米基因进行修饰，使玉米在收割后，其自身产生的酶能够对细胞壁进行自我降解[5]。

法国农业科学研究院(INRA)证实了漆酶确有参与拟南芥的木质化过程。在

茎中表达的漆酶基因若是未表达，木质素含量只会微量降低;但若是被删除，则

在导致木质素含量减少40%的同时，促进细胞壁的糖化作用，这为科学家利用合成生物学改造能源作物减少木质素含量提供参考依据。

近年来，芒类植物由于其生长快、产量高、易繁殖的特点，已作为一种具有重要开发利用前景的能源作物而受到高度关注。美国能源部和农业部联合资助的基因组学研究发现，其中“加快芒属植物驯化”项目对芒属植物的基因组结构、功能和组织的研究为进一步进行遗传改良和优质品种选育奠定了基础。

3.2 开发绿色高效生物催化剂

酶的定向进化和新型酶与多酶体系的构建是与合成生物学相关的重要研究

内容，能够帮助提高生物燃料的生物催化转化过程的效率，并有效降低成本。美国加州理工大学和基因合成公司DNA2.0 的研究人员在从纤维素原料中提取酶

方面迈出了新的一步，所提取的糖能够轻易地被转化为乙醇和丁醇等可再生燃料。德国RWE电力公司和BRAIN公司联合利用合成生物学技术[6]，开发由二氧化碳转化为微生物质和生物分子的技术。两家公司期望通过微生物改造以产生新的酶，并开发创新的合成路径。

此外，自然界中资源丰富，还有很多高效酶有待于挖掘，设计高通量的筛选策略，从生物体(主要指微生物)中分离出具有更好性能的酶为下一步合成生物学改造提供材料。近年来兴起的宏基因组技术和比较基因组学为分离众多未培养微生物所产的新酶提供了有力的工具。例如，通过构建极端微生物的宏基因组文库可有效鉴定具有多种性能的新型酯酶;利用宏基因组技术从白蚁和牛胃中发现一