CIBB 2024 | 分论坛九:二氧化碳生物转化利用

文摘   2024-11-18 11:44   天津  



11月15日-18日,第十二届中国工业生物技术创新论坛暨生物制造产业大会在天津举行。本届大会以“合成生物,驱动生物制造”为主题,汇聚产学研各界嘉宾,围绕新形势下生物制造前沿创新与产业发展开展深入交流研讨,赋能新质生产力,为推动我国合成生物学和生物制造产业高质量发展启迪新思想、注入新活力、蓄积新动能。





分论坛九:二氧化碳生物转化利用

二氧化碳生物转化利用是实现双碳战略目标的重要路径之一。本论坛聚焦二氧化碳等一碳原料合成复杂多碳复杂分子新路线,介绍自然与人工固碳系统的设计创建以及一碳原料生物转化利用的最新进展及产业化应用,为实现碳中性物质制造提供新路径、新方法、新策略。


耦合催化温室气体生物合成高值产品

费 强  

西安交通大学化学工程与技术学院教授


利用一碳温室气体(二氧化碳和甲烷)作为原料进行高值产品的生物合成,是生物制造领域发展的关键方向。针对二氧化碳和甲烷的生物利用率低下和转化路径有限的挑战,团队结合化学催化与细胞催化技术,通过人工改造的嗜甲烷细胞工厂生物转化二氧化碳/甲烷合成清洁能源、精细化学品、生物大分子、高分子聚合物等一系列产品,为实现人工生物固碳的高值化开发提供了有效的策略。
团队通过开发可再生能源驱动的光/电催化材料、挖掘解析嗜甲烷菌关键生物元件、定向改造代谢途径和培养方法、建立光/电催化与人工细胞催化间的高效协同体系,提高了二氧化碳还原制备甲烷的选择性,增强了胞内电子传递和生物能供给,提升了细胞工厂碳通量和甲烷转化效率,加强了人工细胞定向合成能力。团队实现了化学催化与生物催化的高效结合,成功将一碳气体转化为氢气、四氢嘧啶、琥珀酸、细胞蛋白、生物多糖或生物材料等高值产品。经过全生命周期分析结果表明,基于二氧化碳和甲烷为原料的生物制造工艺,可显著降低温室气体排放及其对环境的影响。


高光效微藻光能转化与多元产物

王文达

中国科学院植物研究所研究员


地球光合作用每年固定二氧化碳合成的有机物超过2200亿吨,是人类赖以生存和发展的重要基础。在光合作用的原初光能转化过程中, 光合膜上的光系统I和光系统II将吸收的太阳能转化为化学能, 并释放氧气, 产生的ATP和NADPH为二氧化碳固定提供能量。不同生态位的海洋和陆地光合生物通过不断进化适应光环境, 演化出相对保守的光系统和多样化的捕光天线, 以实现最大限度利用的所处环境中的光能来生长和繁衍。近年来,我们针对多种高光效微藻的光合系统和LHC捕光天线开展结构生物学研究,发现了它们光合基因、蛋白、色素、以及互作的大量细节,揭示了硅藻和甲藻等捕光和光适应功能的演化机制,也为高附加值的多元光合产物设计提供了新的思路。


甲醇氧化酶的人工改造与组装

江会锋 

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员


甲醇是二氧化碳生物转化利用的重要中间体,但是甲醇氧化的第一步反应就面临能量代谢与物质转化不可兼得的挑战。PQQ依赖的甲醇氧化酶不仅具有高效的甲醇氧化效率还可以生成ATP,有效实现物质转化与能量代谢的兼得。然而由于缺乏对组装与生成过程的了解,PQQ依赖甲醇氧化酶还无法在甲醇生物转化中实现规模化应用。通过在大肠杆菌中异源组装PQQ依赖的甲醇氧化酶基因簇,我们首次发现了一个PQQ依赖的甲醇氧化酶基因分子伴侣蛋白MxaJ,并通过冷冻电镜技术首次解析了PQQ甲醇氧化酶的组装机制,最后通过蛋白质改造设计,将天然的PQQ依赖甲醇氧化酶基因簇14个基因简化到了3个基因。相关研究为实现甲醇的规模化利用开辟了一条新路线。


微生物电合成转化二氧化碳产多碳化合物

曹名锋  

厦门大学化学化工学院教授


微生物电合成(MES)兼具电催化和生物催化的优点,是一碳生物转化的重要方式,但目前MES仍然存在效率低和代谢作用机制不清晰的问题。本研究以希瓦氏菌(Shewanella oneidensis) MR-1为研究对象,通过模块基因表达发现,Mtr途径模块、能量模块和甲酸脱氢酶模块在MES过程发挥重要作用。通过在MR-1细胞中构建还原性甘氨酸(rGly)途径,实现了工程菌利用MES以二氧化碳为唯一碳源生长。进一步在rGly工程菌中引入C2和C4生物合成途径,成功转化二氧化碳合成乙酸和苹果酸。这是首次通过基因工程改造S. oneidensis MR-1进行MES合成C2/C4化合物,为二氧化碳生物转化合成其他多碳化合物提供有效策略,也是MES助力双碳目标的典型案例。


工业尾气生物合成乙醇及蛋白技术

晁 伟  

北京首钢朗泽科技有限公司副总经理


一碳气体生物发酵技术是一种新兴的生物技术,首钢朗泽首次开发出含碳工业尾气生物发酵制乙醇和蛋白集成工艺,实现从中试到工业化的跨越,开辟了非粮乙醇和蛋白生产新途径,通过国际可持续生物材料圆桌会议(RSB)认证和国际可持续发展与碳认证(ISCC),获得中国首张新饲料产品证书。一代技术已建成投产4个商业化工厂,形成年产21万吨乙醇、2.5万吨蛋白的能力;二代技术已完成中试试验准备建设,解决了二氧化碳常温低压高效转化的难题,二氧化碳转化率达67%,吨乙醇直接消耗二氧化碳0.5吨,吨乙醇综合减排二氧化碳2.31吨,目前万吨级示范应用建设已经启动。


二氧化碳生物转化的新路线—耦合绿电绿氢发酵产绿甲烷和菌体蛋白

徐志权  

巨鹏生物科技有限公司副总经理


研发始于1989 年,以一碳气体的生物转化为核心,拥有久经验证的生物合成方法学、全体量发酵平台(包括克、公斤、吨、千吨、万吨级装置)。
模块化的反应器(适用于第一、二、三系列技术)在国内生产制造,已经应用在山西示范工厂和内蒙的十万吨/年项目。
第三系列技术已申请专利,以二氧化碳为碳源,耦合绿电绿氢连续厌氧气体发酵,一步合成,接近常温常压,最大750 Nm³发酵罐可减排14.9万吨/年二氧化碳,生产4.7万吨/年绿色甲烷,作为船用绿色低碳LNG燃料、绿色化工原料和碳达标企业的低碳能源;联产约1万吨/年高营养菌体蛋白,营养价格媲美鱼粉,实现从无机碳源到有机蛋白的转化。
能量转换效率高达80%,二氧化碳和氢气转化率均可达到95%以上,产品中甲烷含量可达到84% 以上。


“生物催化”和“非酶化学催化”结合拓展生物制造的边界

刘建明  

西湖大学合成生物学中心研究员


结合生物催化和非酶化学催化(化酶结合)既能利用生物催化的特异性和可持续性,又能借助化学催化的高效率和多样性,进而创制出高效的合成策略,突破单一的生物催化或化学催化的局限和瓶颈。报告聚焦于化酶结合策略在生物制造领域的应用,尤其是在突破产品种类边界和原料边界方面的创新。在突破产品种类边界方面:以生产手性化合物S型丁二醇为例,通过解析代谢途径中非酶有机催化(从乙酰乳酸到丁二酮)的机理,构建包含酶催化和非酶催化有机整合的完整路径,实现了100 % S型丁二醇的微生物发酵生产;在突破原料边界方面,针对二氧化碳原料,创制了一条全新的化学催化和生物催化有机整合的固碳路线,成功实现了不需要添加能量辅因子ATP和还原力辅因子NAD(P)H的二氧化碳生物利用,为一碳化合物的利用提供了一条全新的“一生二,二生三,三生万物”的生物代谢途径。综上,化酶结合展示了在生物制造领域的巨大潜力。


电能驱动二氧化碳生物转化

朱之光  

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员


二氧化碳的高效资源化利用对绿色可持续发展和社会经济转型具有重要意义。在二氧化碳生物转化中,能量驱动力缺乏和生物转化速度缓慢限制了其发展。作为一种绿色清洁的能源形式,电能近年来被广泛用于驱动生物合成,可弥补生物转化的能量驱动力不足。近年来,我们利用电能驱动体外多酶合成途径,构建了一个固碳、聚碳、聚氨的甘氨酸合成体系,并通过酶挖掘、模块适应和反应优化等策略,提高了电能利用效率和甘氨酸合成率。我们还建立了两条以二氧化碳为原料合成单细胞蛋白的路线,包括对氢氧化细菌的诱变筛选和理性改造,并开发了细胞表面展示超氧化物歧化酶用于抵抗电化学系统产生的自由基对细胞的生长抑制,以提高蛋白的产量。这些研究为二氧化碳的生物转化提供了新的替代方案。


二氧化碳人工合成碳水化合物

蔡 韬  

中国科学院天津工业生物技术研究所人工合成淀粉中心研究员


碳水化合物作为一种重要的能量储存形式,是人类饮食中卡路里的主要来源,也是重要的生物工业原料。团队从头设计创建了从二氧化碳到碳水合成的非自然途径,解决了途径代谢流从头计算、关键酶元件设计组装、生化途径精确调控等科学问题,以生物催化与化学催化耦合的11步反应,颠覆了自然光合作用固定二氧化碳合成碳水的复杂生化过程,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉、六碳糖的人工全合成,能效和速率超越玉米等农作物,突破了自然光合作用局限,为淀粉的车间制造打开了一扇窗,并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新思路。

BIOINN生物制造众创空间
生物技术专业化众创空间(简称BIOINN“Biotechnology Innovation\x26quot;)是依托于中科院天津工业生物所“技术创新”和“平台创新”而建设的创新创业孵化平台,由天津所全资资产管理公司中科育成(天津)科技发展有限公司建设并运营
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