專題：合成生物制造

《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第23期出版了“合成生物制造專題”，刊登了《 》《 》《 》等文章。

本專題全面展示了合成生物制造在大分子藥物合成、生物藥分離純化、食品生物制造、可再生能源、極端微生物代謝工程等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用與實(shí)踐進(jìn)展，提出關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方向，為未來生物制造的技術(shù)路線與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

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卷首語

01

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譚天偉

作者簡(jiǎn)介：譚天偉，現(xiàn)任北京化工大學(xué)校長(zhǎng)、生物化工專家、中國工程院院士、中國可再生能源學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，研究方向?yàn)槟茉磁c材料化學(xué)品的生物制造、工業(yè)酶催化、數(shù)字化細(xì)胞工廠的創(chuàng)新應(yīng)用等。

譚天偉

憑借原料可再生、過程綠色化、產(chǎn)物可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，生物制造可輻射能源、化工、食品、醫(yī)藥等多個(gè)國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域，有望形成“生物制造+”的新產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)，成為破解中國傳統(tǒng)制造業(yè)資源依賴高、碳排放強(qiáng)度大等結(jié)構(gòu)性矛盾的核心抓手。

本文旨在闡明生物制造作為培育未來產(chǎn)業(yè)、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略引擎地位，在分析其全球競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)與中國現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)（①生物發(fā)酵產(chǎn)能②氨基酸、有機(jī)酸等產(chǎn)量③市場(chǎng)規(guī)模④工業(yè)體系）的基礎(chǔ)上，指出面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)（①底層技術(shù)“卡脖子”②關(guān)鍵裝備依賴進(jìn)口③西方對(duì)中國產(chǎn)業(yè)鏈的擠壓），并提出通過全方位創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈自主可控，以搶占生物制造戰(zhàn)略制高點(diǎn)、塑造新發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

科技評(píng)論

02

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劉晗、丁國徽

作者簡(jiǎn)介：劉晗，復(fù)旦大學(xué)人類表型組研究院，上海國際人類表型組研究院，復(fù)旦大學(xué)助理研究員，研究方向?yàn)樯】殿I(lǐng)域技術(shù)趨勢(shì)與發(fā)展戰(zhàn)略；丁國徽（通信作者），上海國際人類表型組研究院，復(fù)旦大學(xué)研究員，研究方向?yàn)橄乱淮飻?shù)據(jù)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)、隊(duì)列數(shù)據(jù)智能和科學(xué)驅(qū)動(dòng)的全面健康。

本文闡釋了人類表型組研究作為生命科學(xué)前沿的戰(zhàn)略意義，系統(tǒng)介紹其通過精密測(cè)量與數(shù)據(jù)整合解密表型復(fù)雜關(guān)聯(lián)的科學(xué)內(nèi)涵，展示中國在該領(lǐng)域國際協(xié)作中的引領(lǐng)性貢獻(xiàn)，并分析其驅(qū)動(dòng)醫(yī)學(xué)從“疾病治療”向“健康維持”轉(zhuǎn)變的潛力，最后指出應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、治理與共享挑戰(zhàn)是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。

本刊專稿

03

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云慧敏、陳必強(qiáng)、譚天偉

作者簡(jiǎn)介：云慧敏，北京化工大學(xué)綠色生物制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京化工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，講師，研究方向?yàn)樯镏圃煜到y(tǒng)建模與優(yōu)化、全生命周期分析等；陳必強(qiáng)（通信作者），北京化工大學(xué)綠色生物制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，教授，研究方向?yàn)樯锎呋瘎┕こ蹋蛔T天偉（共同通信作者），北京化工大學(xué)綠色生物制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，教授，中國工程院院士，研究方向?yàn)樯锬茉?、生物材料、生物基化學(xué)品。

文章剖析中國生物制造產(chǎn)業(yè)在國家戰(zhàn)略引領(lǐng)下的發(fā)展圖景（傳統(tǒng)發(fā)酵驅(qū)動(dòng)→智能化、生物設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)），在肯定其巨大潛力和部分領(lǐng)域領(lǐng)先地位的同時(shí)，重點(diǎn)揭示了在原料、核心菌種、底層技術(shù)和高端裝備與智能制造等方面面臨的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)與自主可控挑戰(zhàn)，并系統(tǒng)規(guī)劃了未來通過全鏈條技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)與綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑，以推動(dòng)中國在該戰(zhàn)略性未來產(chǎn)業(yè)中構(gòu)建核心競(jìng)爭(zhēng)力。

生物制造產(chǎn)業(yè)鏈框架

特色專題

04

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湯曉玲、高炬燦、鄭仁朝、鄭裕國

作者簡(jiǎn)介：湯曉玲，浙江工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院、綠色化學(xué)合成與轉(zhuǎn)化技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，研究方向?yàn)樯锎呋D(zhuǎn)化；鄭裕國（通信作者），浙江工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院、綠色化學(xué)合成與轉(zhuǎn)化技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，中國工程院院士，研究方向?yàn)獒t(yī)藥、農(nóng)藥和營養(yǎng)化學(xué)品生物制造工程技術(shù)創(chuàng)新。

本文闡述合成生物制造作為關(guān)鍵顛覆性技術(shù)，如何通過生物催化、微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建等具體路徑，推動(dòng)化學(xué)藥、現(xiàn)代中藥及大分子藥物等醫(yī)藥全領(lǐng)域的生產(chǎn)變革，實(shí)現(xiàn)更高效、綠色、精準(zhǔn)的制造，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與可持續(xù)發(fā)展。

化學(xué)藥的合成生物制造

05

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趙嵐、樊榮、魏煒、馬光輝

作者簡(jiǎn)介：趙嵐，中國科學(xué)院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，副研究員，研究方向?yàn)樯蛛x介質(zhì)；樊榮（共同第一作者），中國科學(xué)院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，研究員，研究方向?yàn)樯锓磻?yīng)過程與膜分離耦合技術(shù)；魏煒（通信作者），中國科學(xué)院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院、中國科學(xué)院大學(xué)前沿交叉科學(xué)學(xué)院，研究員，研究方向?yàn)樯飫┬凸こ蹋获R光輝（共同通信作者），中國科學(xué)院過程工程研究所、生物藥制備與遞送全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院、中國科學(xué)院大學(xué)前沿交叉科學(xué)學(xué)院，研究員，中國科學(xué)院院士，研究方向?yàn)榫簧镂⑶蚝臀⒛业闹苽浼捌湓谏こ毯歪t(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用。

本文闡明了分離純化技術(shù)對(duì)于生物藥制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵性，在分析其高成本、高難度挑戰(zhàn)及國產(chǎn)化短板的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了新一代高效分離介質(zhì)（粒徑均一、超大孔、高載量、混合模式、親和、多孔膜介質(zhì)等）與先進(jìn)集成裝備（連續(xù)流層析、抗污染膜組件、反應(yīng)分離耦合系統(tǒng)、分離檢測(cè)耦合系統(tǒng)）的技術(shù)進(jìn)展，并指出通過介質(zhì)、裝備與工藝的持續(xù)協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)中國生物藥分離純化向國產(chǎn)化、綠色化、智能化發(fā)展，是提升產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、構(gòu)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)集群的必由之路。

生物制造體系中的分離膜技術(shù)與分離對(duì)象

06

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劉云翔、孫夢(mèng)璐、王明海、陳瑞、張立慧、黃和

作者簡(jiǎn)介：劉云翔，南京師范大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院，微生物改造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士研究生，研究方向?yàn)槲⑸锏鞍组_發(fā)及應(yīng)用；張立慧（通信作者），南京師范大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院，微生物改造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副教授，研究方向?yàn)槲⑸锏鞍组_發(fā)及應(yīng)用等；黃和（共同通信作者），南京師范大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院，微生物改造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，中國工程院院士，研究方向?yàn)楹铣缮飳W(xué)。

文章闡述合成生物學(xué)驅(qū)動(dòng)下的食品生物制造技術(shù)在替代蛋白、功能脂質(zhì)、淀粉及食品添加劑等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，在明確其重大戰(zhàn)略意義與全球發(fā)展趨勢(shì)（技術(shù)加速、政策分化、市場(chǎng)擴(kuò)張）的同時(shí)，深入剖析了各領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸（菌種選育與設(shè)計(jì)、高效發(fā)酵工藝優(yōu)化以及食品加工等）與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)，并指出通過跨學(xué)科技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)化體系建立及全球化合作，推動(dòng)食品產(chǎn)業(yè)向綠色、高效、可持續(xù)模式轉(zhuǎn)型的未來路徑。

食品生物制造流程

07

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張藝格、胡元森、王欽宏

作者簡(jiǎn)介：張藝格，河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，低碳合成工程生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士研究生，研究方向?yàn)榈吞忌锖铣?；胡元?(通信作者)，河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)；王欽宏 (共同通信作者)，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，低碳合成工程生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，研究方向?yàn)楣I(yè)生物進(jìn)化與代謝工程。

可再生能源（光能、綠電、生物質(zhì)能等）可以驅(qū)動(dòng)CO?生物轉(zhuǎn)化為燃料、化學(xué)品及材料，本文綜述了其技術(shù)路徑（光能→直接/間接光合作用，綠電→直接/間接電微生物合成或酶催化，地?zé)?生物質(zhì)能）、挑戰(zhàn)與前景。文章通過光能-生物（人工光合系統(tǒng)、代謝工程改造）、綠電-生物（微生物電合成、酶-電催化）及多能互補(bǔ)等關(guān)鍵系統(tǒng)的原理與案例，深入剖析了在能量傳遞、CO?固定還原及碳流定向轉(zhuǎn)化等方面面臨的科技瓶頸，并指出通過跨學(xué)科創(chuàng)新與系統(tǒng)集成，推動(dòng)該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)及構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要戰(zhàn)略意義。

可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用

08

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陳江楠、陳國強(qiáng)

作者簡(jiǎn)介：陳江楠，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，博士研究生，研究方向?yàn)楹铣缮飳W(xué)；陳國強(qiáng)（通信作者），清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，清華大學(xué)化學(xué)工程系，清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心，清華北大生命中心，綠色生物制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，研究方向?yàn)楣I(yè)生物技術(shù)、微生物聚羥基脂肪酸酯的合成與應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，工業(yè)生物制造需向綠色可持續(xù)轉(zhuǎn)型。合成生物學(xué)推動(dòng)生物制造發(fā)展，而極端微生物因其在嚴(yán)苛環(huán)境（高鹽、高溫、極端pH）下的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，具有抗染菌、可連續(xù)、低成本生產(chǎn)的潛力，有望開啟下一代生物制造。

文章闡述利用極端微生物（以鹽單胞菌為范例）構(gòu)建下一代工業(yè)生物技術(shù)，以解決傳統(tǒng)發(fā)酵滅菌能耗高、難以連續(xù)生產(chǎn)等核心瓶頸。文章系統(tǒng)介紹了針對(duì)鹽單胞菌的基因與代謝工程工具開發(fā)，展示了其在生產(chǎn)生物材料PHA和高值化學(xué)品、利用廢棄物資源等方面的成功應(yīng)用，并通過產(chǎn)業(yè)化案例證明了該技術(shù)路線的可行性與巨大潛力，最終指出其是推動(dòng)生物制造向更高效、低碳、可持續(xù)方向發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略路徑。

基于鹽單胞菌所開發(fā)的技術(shù)

科技人文

09

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厚宇德

作者簡(jiǎn)介：厚宇德，山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究所，教授，研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)史與物理文化。

彭堃墀院士是中國第一位量子光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建者。他在山西大學(xué)為國家打造了一支有戰(zhàn)斗力的量子光學(xué)研究隊(duì)伍，是科學(xué)家精神的踐行者。

本文通過翔實(shí)案例，全方位展現(xiàn)了彭堃墀院士如何以其科研人生深刻詮釋科學(xué)家精神。他胸懷祖國、甘于奉獻(xiàn)，奠定了中國量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)；他求實(shí)創(chuàng)新、躬耕不輟，取得了系列前沿突破；他善于協(xié)同、精于育人，打造了一支罕有的穩(wěn)定而卓越的研究團(tuán)隊(duì)。他的事跡表明，科學(xué)家精神是引領(lǐng)科研工作者取得卓越成就、服務(wù)國家發(fā)展的核心力量。

彭堃墀（左一）與吳令安（右一）、謝常德（右二）和Jeff Kimble（左二）

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