摘要:工业生物技术作为可持续发展的重要途径，其创新发展离不开基础学科的支撑。工业生物学研究工业环境下生物体行为的基本规律和作用机制，解决适应工业环境的生物体设计构建及应用的关键科学问题，是工业生物技术学科基础。为了梳理和凝练工业生物学发展状况，本刊特组织出版专刊，从工业蛋白科学、工业细胞科学和工业发酵科学三个方面，分别阐述学科的发展动态，展望未来的发展趋势，为促进工业生物技术发展奠定基础。

摘要:工业酶是绿色生物制造的“芯片”，支撑着下游数十倍甚至百倍的产业。解析工业酶结构与功能关系是对其设计改造并应用于工业生产的基础。近年来随着蛋白结构解析技术和计算模拟技术的发展，酶结构与功能的构效关系得到更加深刻的认识，使得酶理性设计，甚至是从头设计成为可能。文中围绕酶结构的可塑性及其催化功能的多样性，综述工业酶结构与功能构效关系的研究进展及应用，并展望该领域的未来发展前景。

摘要:文中介绍用于工业酶研究特别是用于指导酶工程的主要计算化学方法，包括分子力学力场和分子动力学模拟、量子力学以及量子力学/分子力学结合模型、连续介质静电模型以及分子对接等。文中从以下两个角度分别概要地介绍这些方法：一是方法本身的基本概念、原始计算结果、适用条件和优缺点等；二是通过计算得到有价值的信息，指导突变体和突变库设计。

摘要:工业催化用酶已经成为现代生物制造技术的核心“芯片”。不断设计和研发新型高效的酶催化剂是发展工业生物技术的关键。工业催化剂创新设计的科学基础是对酶与底物的相互作用、结构与功能关系及其调控机制的深入剖析。随着生物信息学和智能计算技术的发展，可以通过计算的方法解析酶的催化反应机理，进而对其结构的特定区域进行理性重构，实现酶催化性能的定向设计与改造，促进其工业应用。聚焦工业酶结构-功能关系解析的计算模拟和理性设计，已成为工业酶高效创制改造不可或缺的关键技术。本文就各种计算方法和设计策略以及未来发展趋势进行简要介绍和讨论。

摘要:定向进化通过建立突变体文库与高通量筛选方法，快速提升蛋白的特定性质，是目前蛋白质工程最为常用的蛋白质设计改造策略。近十年随着计算机运算能力大幅提升以及先进算法不断涌现，计算机辅助蛋白质设计改造得到了极大的重视和发展，成为蛋白质工程新开辟的重要方向。以结构模拟与能量计算为基础的蛋白质计算设计不但能改造酶的底物特异性与热稳定性，还可从头设计具有特定功能的人工酶。近年来机器学习等人工智能技术也被应用于计算机辅助蛋白质设计改造，并取得瞩目的成绩。文中介绍了蛋白质工程的发展历程，重点评述当前计算机辅助蛋白质设计改造方面的进展与应用，并展望其未来发展方向。

摘要:酶在工业上有着广泛应用和巨大潜力，但工业生产中高温、强酸/碱、高盐、有机溶剂和高底物浓度等条件仍然制约着酶的大规模应用。为使酶能更好地在工业环境下发挥催化作用，目前的主要策略是对酶进行适应性改造 (如理性或半理性设计、定向进化、固定化等)。文中简要阐述了酶在工业环境下的催化行为以及近年对其适应性改造的研究进展，以期为酶的适应性改造提供参考。

摘要:体外多酶分子机器遵循所设计的多酶催化路径，将若干种纯化或部分纯化的酶元件进行合理的优化与适配，高效地在体外将特定的底物转化为目标化合物。体外多酶分子机器反应系统呈现元件化和模块化的特点，在设计、组装和调控方面具有较高的自由度。近年来，体外多酶分子机器在实现反应过程的精准调控和提高产品得率方面的优势逐渐体现，展示了其在生物制造领域重要的应用潜力。对体外多酶分子机器的相关研究已成为合成生物学的一个重要分支领域，日益受到广泛的关注。文中系统地综述了基于酶元件/模块的体外多酶分子机器的构建策略，以及改善该分子机器中酶元件/模块之间适配性的研究进展，并分析了该生物制造平台的发展前景与挑战。

摘要:天然产物一直以来都是新药发现的重要来源。自20世纪末以来，随着组学技术的不断发展，许多生物的基因组被破译并解析，发现基因组中潜藏着众多未知的天然产物生物合成基因簇，而这些基因簇在实验室生长条件下无法表达或低表达。因此，需要综合运用多种学科深入挖掘生物中潜藏的具有新型结构和生物活性的天然产物，使其广泛应用于人类的生产生活。文中将从天然产物合成基因簇的挖掘、“沉默”天然产物合成途径的激活和生物底盘构建3个方面简述基因组学技术在天然产物挖掘中的研究进展。

摘要:为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征，寻找潜在的代谢工程改造靶点，基因组规模代谢网络模型 (GSMM) 作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上，分析了当前GSMM的研究现状，总结了GSMM的构建及分析方法，从预测细胞表型和指导代谢工程两个方面阐述了GSMM在解析工业微生物胞内代谢中的应用，并展望了GSMM未来的发展趋势。

摘要:基因组尺度代谢网络模型已经成功地应用于指导代谢工程改造，但由于传统通量平衡分析法仅考虑化学计量学和反应方向约束，模拟得到的是理论最优结果，对一些现象如代谢溢流、底物层级利用等无法准确描述。近年来人们通过在代谢网络模型中引入新的蛋白量、热力学等约束发展了新的约束优化计算方法，可以更准确真实地模拟细胞在不同条件下的代谢行为。文中主要对近年来提出的多种酶约束模型进行评述，对酶约束引入的基本思路、酶约束的数学方程表示及优化目标设定、引入酶约束后对代谢通量计算结果的影响及酶约束模型在代谢工程菌种改造中的应用等进行了全面深入的介绍，并提出了已有各种方法存在的主要问题，展望了相关方法的未来发展方向。通过引入新的约束，代谢网络模型能够更精确模拟和预测细胞在环境和基因扰动下的代谢行为，为代谢工程菌种改造提供更准确可靠的指导。

摘要:开发工业微生物，使其利用可再生的原料生产生物燃料、大宗化学品、食品添加剂和营养品、药物以及工业酶等，是发展生物产业的基础。工业微生物高产和胁迫抗性等鲁棒性状受复杂遗传调控网络控制，其改造需要从全基因组尺度进行系统的全局的多位点的扰动，以达到快速积累多样性基因型突变并产生所期望的表型。文中对工业微生物鲁棒性状的遗传调控与胁迫响应机制、基因组全局扰动与多位点快速进化以及细胞水平氧还平衡的全局扰动进行了简要综述，未来需要继续借助系统生物学和合成生物学手段，进一步加强对工业环境下工业微生物鲁棒性状调控机理的解析与建模预测以及系统的工程改造。

摘要:以化石资源为原料的化学品制造行业在消耗不可再生资源的同时，还对生态环境造成了破坏，这给以可再生资源为原料的生物制造带来了发展机遇。与传统化工制造不同，生物制造把细胞作为“生产车间”，“车间”内每一道工序由酶催化完成。“细胞工厂”除了反应条件温和，还具有较强的可塑性，可根据需求调整或者重构代谢途径来合成各种目标化学品。“细胞工厂”的设计过程遵循如下的准则：1) 构建一条由原料到产品的最优合成途径；2) 平衡代谢途径中每步反应的代谢流，使该途径代谢通量远高于细胞基础代谢；3) 足量地供应合成途径的前体，多个前体根据需要调整供应比例；4) 酶促反应往往有各种辅因子的参与，顺畅的代谢通路需要平衡或者再生各种辅因子；5) 通过遗传改造或者工艺改进解除产物和代谢中间体的反馈抑制，以获取更高的产量。

摘要:工业生物技术是以微生物细胞工厂利用可再生的生物原料来生产能源、材料与化学品等的生物技术，在解决资源、能源与环境等问题方面起着越来越重要的作用。系统生物学是全面解析微生物细胞工厂及其发酵过程从“黑箱”到“白箱”的重要研究方法。系统生物学借助基因组、转录组、蛋白质组、代谢组以及代谢流组等多组学数据，可解析微生物细胞工厂在RNA、蛋白与代谢物等不同水平上的变化规律与调控机制。目前，系统生物学在微生物细胞工厂的设计创建与发酵工艺优化中起着越来越重要的指导作用，许多成功应用实例不断涌现，推动着工业生物技术的快速发展。文中重点综述基因组、转录组、蛋白质组、代谢组与代谢流组以及基因组规模的网络模型等各组学技术的最新发展及其在工业生物技术尤其是菌株改造与发酵优化中的应用，并就工业生物技术中系统生物学的未来发展方向进行展望。

摘要:工业生物发酵是工业生物技术规模化生产必需的基本操作单元。对微生物细胞及其反应器进行数学模拟将有助于加深对发酵过程的理解，也将为新的合成生物构建提供解决策略。文中对工业发酵系统的特点、数学模拟的发展历史、数学模型的分类和特点、用途等作了深入阐述，并展望了全发酵系统模拟的发展趋势。

摘要:工业发酵过程中，当细胞遭受到极端环境胁迫或剧烈环境变化时，细胞必须要作出必要的举动来适应环境的剧烈变化。细胞的自适应行为有可能不能应对剧烈的环境变化，导致发酵失败；但也有可能产生意想不到的效果，改善发酵性能。文中以毕赤酵母 Pichia pastoris生产异源蛋白和丁醇发酵过程为例，阐述了环境变化条件下的细胞自适应行为及其基于自适应行为的发酵过程优化方法和策略，为利用基于细胞自适应行为的发酵过程优化提供参考。

摘要:工业发酵科学致力于实现高产量、高转化率和高生产强度的相对统一。通过从分子、细胞和反应器进行发酵过程多尺度解析与调控，实施全局与动态的优化与控制能够确保发酵过程高效、转化定向、过程稳定和系统有序。本文从发酵微生物代谢途径动力学模型、细胞代谢特性、发酵提取相耦合与反应器设计四个方面，总结和讨论发酵过程多尺度解析与调控的研究进展。整合分析发酵过程不同尺度特征并且针对性地开展多尺度整合调控是实现高效工业微生物发酵的重要策略。

摘要:工业生物过程是一个复杂的系统过程，对活体细胞代谢过程的认识是实现高效工业生物制造的基础。文中首先综述了工业发酵过程多尺度优化控制原理和实践，包括多尺度理论与装备、细胞宏观代谢在线检测传感技术以及生理代谢参数相关分析。在此基础上，对工业生物过程智能控制——感知细胞内生理代谢特性新型传感技术、大数据库建立和数据深度计算以及生物过程智能决策进行了综述和展望。

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