生物制造技術在全球可持續發展戰略中發揮著至關重要的作用，它不僅是解決資源匱乏和環境污染的關鍵技術，也是推動新質生產力發展的重要引擎。隨著全球綠色低碳經濟的崛起，各國紛紛出臺政策以支持生物制造技術的創新與應用。例如，中國《“十四五” 生物經濟發展規劃》明確提出，要大力發展生物制造，推動生物基材料、綠色能源、生物醫藥等領域的突破性發展，以實現 “雙碳” 目標和綠色經濟轉型。這一政策呼應了全球可持續發展的需求，強調通過生物制造減少對石化資源的依賴，推動生物基產品在工業生產中的廣泛應用。與此同時，歐盟的《歐洲綠色協議》也將生物制造列為發展循環經濟和可再生能源的重要組成部分。通過政策的引導與技術創新的結合，生物制造正在成為構建未來新質生產力的核心力量之一，促進了從傳統化石燃料到可再生碳資源(如二氧化碳、生物質等)的轉型，為全球經濟的可持續發展注入了新的動力。本文將從生物制造原料的開發與利用、高附加值產品的生物制造進展、生物制造催化劑的創新以及其在合成生物學的突破等方面，闡述本期生物制造專輯的主要內容。

　　1 生物制造原料的開發與利用

　　可再生碳原料的開發和利用是生物制造中最為基礎的環節，決定了產品的生產效率、經濟性和環境可持續性。近年來，生物制造原料的來源越來越多元化，從傳統的淀粉糖與蔗糖到非糧生物質資源到一碳化合物(如二氧化碳、甲醇、甲烷、合成氣等)等。柴猛等的綜述指出，木質纖維素是地球上儲量最豐富的可再生資源之一，其年產量達 1800 億噸。而通過生物轉化的方式，將木質纖維素轉化為多種有機酸和生物基材料，是發展綠色生物制造的理想途徑。這類有機酸(如丁二酸、3 - 羥基丙酸等)是生產生物基塑料和生物降解材料的關鍵單體，在應對全球塑料污染和減少對石化資源依賴方面具有重要意義。木質素是木質纖維素的一個主要成分，其年產量大約 200 億噸。劉寬慶等通過總結生物利用木質素的反應機制以及利用合成生物學手段構建細胞工廠以實現高效木質素利用，對未來發展進行了展望。幾丁質是另外一種在地球上廣泛分布的含氮多糖資源，由 N - 乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)通過 β - 1,4 - 糖苷鍵構成的高分子聚合物，主要來源于蝦蟹殼和昆蟲外骨骼。因其含量巨大，可再生，含有珍貴的氮元素，對其進行資源化利用不僅能夠解決生物降解難題，還為化工和農業等領域提供了新資源。張阿磊等系統介紹了自然界中存在的可降解幾丁質的關鍵酶及其催化機制，以及在幾丁質降解過程中遇到的挑戰。近年來二氧化碳的資源化利用越來越受到重視，趙亮等強調一碳化合物(如CO2​、CO、CH4​等)是一類具有廣泛來源、價格低廉的原料，通過代謝工程手段將其高效轉化為油脂和單細胞蛋白，可以有效緩解對化石資源和糧食進口的依賴。利用甲基營養型微生物和產乙酸菌等微生物對這些化合物進行轉化，不僅能減少溫室氣體的排放，還為可持續化工提供了新路徑。

　　2 高附加值產品的生物制造進展

　　高附加值產品的生物制造是生物制造領域的關鍵研究方向，近年來在多個重要化學品領域取得了顯著進展。除了手性氨基酸和聚酰胺材料的生物合成，二元醇以及草銨膦的生物合成也是近年來備受關注的領域，它們在高分子材料、日化品、汽車等領域具有廣泛應用。

　　手性氨基酸是食品、醫藥和農業等領域的核心原料，王子淵等介紹了通過酶促合成技術，顯著提高了手性氨基酸的合成效率和對映選擇性。通過對轉氨酶和脫氫酶等關鍵酶的優化，這些合成途徑能夠在溫和條件下進行，降低了生產成本和環境負擔。隨著塑料污染問題日益嚴重，生物基材料的開發成為了解決這一問題的重要途徑。通過木質纖維素的生物轉化，可以高效生產多種有機酸，如丁二酸、3 - 羥基丙酸等，這些有機酸是制備生物基塑料的重要單體。同時，劉益寧等介紹了 ω - 氨基酸和內酰胺的生物合成研究為聚酰胺(尼龍)等高分子材料的綠色制造提供了新的可能。二元醇是一類重要的化學品，在高分子材料、化妝品、燃料和制藥行業中廣泛應用。竺方歡等提出，二元醇的傳統生產工藝依賴于化石資源，具有較大的環境負擔。然而，通過代謝工程和合成生物技術，研究人員開發了多種非天然的代謝途徑，使得C2​至Cs​鏈長的二元醇得以通過微生物高效生物合成。

　　例如，1,3 - 丙二醇(PDO)和 1,4 丁二醇(BDO)等二元醇已經實現了商業化生產，這些化合物在塑料和高分子材料領域具有重要應用。通過非傳統碳源(如木質纖維素)的利用，生物合成二元醇的技術為替代傳統化石資源提供了可行方案。PDO 是生產聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)纖維的重要單體，廣泛應用于紡織、汽車等領域。劉建明等綜述中指出，利用巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)作為底盤細胞，通過代謝工程和菌種進化，可以實現高效生產 PDO。通過基因工程改造，研究者優化了巴氏梭菌的甘油代謝途徑，大幅提高了 PDO 的產量。此外，電輔助發酵技術的引入也顯著提高了 PDO 的生產效率和產品純度。PDO 的生物合成為化工行業提供了一種綠色、低成本的生產途徑，減少了對化石資源的依賴，同時降低了生產過程中產生的廢物和碳排放。草銨膦是全球三大除草劑之一，具有優秀的市場前景，其除草活性主要來自于其中的 L 型對映體(L - 草銨膦)。程峰等開發了 “生物高純精草生產技術”，建成了 L - 草銨膦數字智能化生產線，實現了萬噸級 L - 草銨膦的生物智能制造。

　　3 生物制造催化劑：酶分子、多酶機器與細胞工廠

　　生物催化劑在生物制造中占據核心地位，催化劑的效率和穩定性直接影響產品的生產效率和經濟性。近年來，通過合成生物學和代謝工程，酶分子、多酶機器和微生物細胞工廠的設計與優化取得了重大進展。李怡霏等在綜述中強調了，氫酶作為生物制氫的關鍵酶，在體外多酶分子機器的應用中大幅提高了氫氣的產量。通過構建多酶催化系統，研究團隊突破了傳統微生物發酵的 Thauer 極限，利用葡萄糖的化學能裂解水產氫的轉化率提高至接近化學理論值(即 1 mol 葡萄糖加上水生產 12 mol 氫氣，是微生物暗發酵制氫得率的 3 倍)。氫酶的高效表達和催化性能優化是實現綠色氫能制造的重要技術突破。而游離的氫酶存在著對氧氣敏感、傳遞電子速率慢等缺點，在實際應用中還具有很大挑戰，雷航彬等采用高分子和金屬 - 有機框架材料(MOF)固定化氫化酶，可以有效提高其活性和穩定性，對未來氫化酶在制備氫氣、生物電催化、生物燃料電池以及電化學傳感器等方面的應用進行了展望。過氧化物酶在環境修復、化合物檢測和合成化學等領域展現了廣泛的應用潛力。

　　李庚等通過重組表達技術優化了過氧化物酶的催化活性和穩定性，使其能夠在復雜環境中發揮作用。這一成果為高效環境修復和綠色化學品制造提供了強有力的工具。體外生物轉化(ivBT)技術是介于酶分子與細胞工廠的新生物制造平臺，通過體外多酶分子機器，石婷等實現了大宗化學品和新能源產品的高效合成。這種技術不僅能夠超越細胞內合成效率與速度的限制，而且拓展了生物制造的新應用。仿生分區室固定化多酶是體外合成生物學的前沿技術，董玲玲等對近年來仿生分區室固定化多酶體系的進展進行了綜述，包括載體材料、載體設計，將多酶固定在不同區域實現空間隔離和反應條件優化，對提高多酶偶聯反應的效率、選擇性以及產率具有重要意義。趙亮等通過代謝工程和合成生物技術，將微生物改造成能夠高效利用一碳化合物的工廠。

　　這種方法使得油脂和單細胞蛋白的產量顯著提高，為未來的綠色食品和燃料生產提供了全新的可能性。合成生物學在推動代謝途徑優化和酶元件設計方面發揮了重要作用，極大提升了生物制造的效率。傳統的生物制造基于模式微生物底盤細胞，存在易污染、滅菌流程復雜、工藝不連續、產品質量不穩定等諸多難點。與之相比，運用極端微生物(鹽單胞菌、嗜熱細菌)作為新的底盤菌模塊巧妙地化解了傳統生物制造面臨的困境。邵明威等對目前已被廣泛應用的多種極端微生物的特點進行了綜述，對下一代生物制造所面臨的機遇及挑戰進行了展望。

　　生物制造技術作為一種綠色、可持續的生產方式，通過對微生物和酶等生物催化劑的精確設計與優化，實現了從低價值原料到高附加值產品的轉化，減少對化石資源的依賴并降低環境污染，日益成為全球產業發展的核心驅動力。依托合成生物學、代謝工程和生物催化等技術，張以恒提出中國古代哲學 “道法術器” 是戰略思維在生物制造領域的具體應用，頂層設計優先，先確定生物制造的 “道” 與 “法”，將有限研發資源放到正確道路，再利用和開發關鍵技術，將大大提高創新技術向產業實施轉化的成功率。生物制造不僅在技術上推動了生產效率的提升，還在全球可持續發展中具有深遠的戰略意義。它為應對氣候變化、減少碳排放以及緩解資源緊張問題提供了切實可行的解決方案。

劉建明;張以恒;曾安平,西湖大學合成生物學與生物智造中心;浙江省全省智能低碳生物合成重點實驗室;中國科學院天津工業生物技術研究所低碳合成工程生物學(全國)重點實驗室;中國科學院天津工業生物技術研究所體外合成生物學中心;國家合成生物技術創新中心;西湖大學未來產業研究中心,202406