合成生物學工業應用的現狀和展望

多酶分子機器

化學品的生物制造一共有兩條技術路線。除了微生物細胞工廠這條主要的技術路線外，多酶分子機器這條技術路線近幾年來也得到廣泛關注。由于很多化學品對微生物細胞的毒性較大，因此微生物細胞工廠在生產這類化學品時很難獲得高產量。多酶分子機器不需要使用微生物細胞，在生產有毒化學品時具有較大優勢。該技術通過在反應釜中添加?1?種或多種酶，將生物質原料高效轉化為化學品。多酶反應的設計、酶的挖掘與高效制備是該技術路線最核心的環節。多酶分子機器生產化學品最具代表性的案例是氫氣和肌醇的生物制造。

氫氣。氫氣是未來最有前景的清潔能源，并普遍作為燃料電池的動力源。目前氫氣制備主要使用水煤氣法和電解水法，這些工藝對設備要求高，導致制氫的成本較高，并且氫氣不易儲存和運輸。美國弗吉尼亞理工大學的科研人員利用多酶分子機器技術，將?14?種酶和?1?種輔酶進行適配，利用生物質原料，能夠從?1?個葡萄糖單元獲得?12?個氫氣分子。該技術解決了氫氣的儲存和運輸問題，為未來氫能汽車提供了能源供應方案。

肌醇。肌醇是水溶性?B?維生素的一種，是動物與微生物生長的必需物質，廣泛應用于飼料、醫藥、食品等行業。目前國內主要采用傳統的高溫加壓水解植酸法生成肌醇。該工藝設備材質要求嚴格，一次性投資大，原材料利用率低，粗產品精制工藝復雜，生產成本高；并且該工藝會產生大量的磷酸污染物，對水源、環境污染嚴重。通過采用多酶分子機器技術，中國科學院天津工業生物技術研究所研究人員利用?α-?葡聚糖磷酸化酶、葡萄糖磷酸變位酶、肌醇?-3?-磷酸合成酶和肌醇單磷酸酶創建了一條由淀粉到肌醇的體外生物合成路線。該綠色催化工藝能替代傳統高污染、高能耗生產工藝，不僅使肌醇的生產成本降低為傳統植酸水解法的一半，而且大幅減少了環境污染。