中国学者要胸怀天下！细胞“工厂”创造绿色未来

 
 
中国学者要胸怀天下！细胞“工厂”创造绿色未来  
 

 

小身材的微生物被寄予巨大的希望——在化石燃料资源日益枯竭、全球变暖逐渐加剧的当下，科学家试图找到有效的办法，让微生物的细胞“打工”，实现二氧化碳“变废为宝”。

“第三代生物炼制”研究团队部分成员与来访合作者合影。研究团队供图

近年来，在国家自然科学基金委员会和瑞典科研与教育国际合作基金会合作交流项目“微生物固定二氧化碳和生产生物燃料相关代谢途径构建”支持下，中国工程院院士、北京化工大学教授谭天伟与中国工程院外籍院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·尼尔森（Jens Nielsen）带领各自的科研团队开展深度合作，首次提出“第三代生物炼制”的新概念，利用微生物的“细胞工厂”使可再生能源和大气中的二氧化碳转化为燃料和化学物质。

此次跨国合作中，谭天伟和团队成员为中国学者跻身该领域世界前沿感到自豪。“作为中国学者，我们应当认识到，科学研究绝不仅仅是为了发表论文、获得荣誉，更要有胸怀天下的高贵品格，要为国家乃至全人类的可持续发展作出实质性贡献。”谭天伟向《中国科学报》表示。

尼尔森表示：“很高兴与谭天伟团队携手开展科学研究。我们优势互补，合作十分愉快，为应对人类的共同挑战作出了贡献！”

提出全新概念

2017年在北京举行的国际代谢工程峰会上，会场大屏幕上播放了一段关于全球气候变化的短片。谁也没有预料到，一场卓有成效的跨国科研合作正在酝酿。 谭天伟与来自瑞典的尼尔森相遇。二人低声分享着近期的工作和观点。尼尔森的关注点在于如何利用生物技术更加高效地将生物质转化为清洁能源，谭天伟则分享了自己对于二氧化碳转化技术的观点。 很快，两位专家进行了深入交流。他们欣喜地发现，双方研究方向竟然高度契合。尼尔森从事的生物质转化技术可以为谭天伟从事的二氧化碳转化技术提供有力支持，而谭天伟的研究也可以为尼尔森的研究带来新的视角和思考。 就这样，他们一拍即合，决定携手合作。2018年，由中瑞双方科学家组成的国际科研团队申请国家自然科学基金“微生物固定二氧化碳和生产生物燃料相关代谢途径构建”项目（以下简称项目），并成功获批。 项目实施过程中，科研人员首先按照原料的不同，总结出生物炼制可以分为三代。第一代原料主要是植物油、废弃食用油、含淀粉和含糖植物，其主要产品是生物燃料，包括乙醇、丁醇等。第二代生物制造的原料是非粮食生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣、森林残留物、城市固体废物的有机成分等。与第一代原料相比，第二代生物制造原料不存在与粮食的竞争问题。 在此基础上，他们提出“第三代生物炼制”的新概念，旨在利用微生物细胞工厂将可再生能源和大气中的二氧化碳转化为燃料和化学物质。简单地说，“第三代生物炼制”重在让微生物来“打工”。2020年，相关综述性论文在《自然-催化》上发表。 科研人员的感受是，有了国家自然科学基金项目“加持”，他们有信心在科学原理上开展创新。该项目科学家、北京化工大学教授刘子鹤告诉《中国科学报》，科研团队设计并进行了相关科学实验。实验中，他们在“酿酒酵母”细胞内将二氧化碳转化成甲酸、甲醇等物质，进而合成乙醇、游离脂肪酸等生物燃料。同时，研究人员还开展了以“食气梭菌”为宿主的实验，最终实现了乙醇的生产。

研究过程中，中瑞双方科学家一致认为，科研成果要想真正面向产业化，还需要在实验已经验证科学原理的基础上向前一步。由于二氧化碳催化与发酵产物中包含甲酸、乙酸等酸性物质，在实际生产中这些物质有可能反过来破坏作为宿主的微生物，好比一家工厂生产的产品可能破坏工厂本身的建筑。为此，科研团队进行了耐受性实验，筛选出高度耐受甲酸、乙酸的菌株，解析了碳代谢相关机制。此后，随着国家支持力度不断加大，多位中国学者加入相关领域，取得显著进展。