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摘要:工业生物技术是指以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模地生产人类所需的化学品、医药、燃料、材料、食品等产品的生物技术。发展工业生物技术是人类由化石经济向生物经济过渡的关键路径，是解决人类目前面临的资源、能源及环境问题的重要手段。中国科学院天津工业生物技术研究所是我国工业生物技术和生物制造领域的主力代表。本文结合该研究所成立十年来的发展，简要回顾了我国工业生物技术发展战略规划布局、重要技术突破进展和行业影响，并对我国工业生物技术和生物制造的未来发展进行了展望分析。

摘要:工业生物技术是指以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模地生产人类所需的化学品、医药、燃料、材料、食品等产品的生物技术。发展工业生物技术是人类由化石经济向生物经济过渡的关键路径，是解决人类目前面临的资源、能源及环境问题的重要手段。中国科学院天津工业生物技术研究所是我国工业生物技术和生物制造领域的主力代表。本文结合该研究所成立十年来的发展，简要回顾了我国工业生物技术发展战略规划布局、重要技术突破进展和行业影响，并对我国工业生物技术和生物制造的未来发展进行了展望分析。

摘要:“合成生物学”在生命科学研究中汇聚了工程、物理、化学、数学、计算机等学科的进展，采用工程科学的研究理念，对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成，甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”，推动了从认识生命到设计生命的跨越，正在引领产业技术变革和生物经济可持续发展。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所作为我国合成生物学领域重要代表成立十年来的发展，聚焦“造物致用”，简要回顾和梳理了国内外合成生物学的重要科技进展与产业发展状况，并展望分析了我国合成生物学的未来发展。

摘要:作为国家级研究机构，中国科学院各级研究所一直以来的重要使命就是心系国家事、肩扛国家责、永做国家人，站在国际科学发展前沿的高度，紧抓国家社会发展中重大需求的科学与技术问题，布局研究所及其项目和吸引人才。本文以个人视角，回顾了2004年回国接任微生物研究所所长后，开始思考工业生物技术的发展，布局天津研发中心，经过多年努力，在院党组的领导与支持下，中国科学院天津工业生物技术研究所建成，已经取得了重要成果；还回顾了建所初衷和早期成长发展历程以及与微生物研究所的关系。通过思考科学、技术、工程(医学)之间的关系，提出从事基础科学研究的科研人员进行转化应用的路径，即“想法-假说-实验-概念-论文-技术-样品-产品-商品”的9层逻辑关系，希望科学家能够做出解决实际问题的实用工作，并展望了未来工业生物技术的远景。

摘要:随着石化资源逐步消耗，气候问题日益凸显，工业生物技术被认为是解决能源和资源供给、应对气候变化、实现绿色可持续发展的重要方向。得益于理论突破、技术变革和学科交叉，工业生物技术主要经历了由生命科学突破性成就、多学科技术理念交汇融合和产业应用导向推动的3个阶段。本文回顾总结了工业生物技术的发展历程及近年来取得的重要突破，并展望了其未来发展方向。

摘要:随着工程生物学、基因编辑等共性技术的快速发展，工业生物技术领域的颠覆式创新在低碳合成、未来食品、药物开发等工业生物技术领域不断取得颠覆式创新，支撑了生物产业高质量创新发展。工业生物技术正在为变革传统工业制造模式，构建碳中性工业制造路线形成重要科技支撑。本文从战略规划、创新机构、人才建设、基础研究、科技创新、产业推进等方面系统介绍了中国科学院在工业生物技术领域的整体安排、建制化研发与科技进展，并提出了加快工业生物技术发展的建议。

摘要:工业生物技术是利用生化反应和生物体机能进行物质合成加工与能量转化利用的集成技术，正在支撑建立以可发酵糖、秸秆、二氧化碳等可再生资源为原料的化学品绿色高效制造新路线，有望实现工业制造方式的根本转变，是支撑经济社会可持续发展的重大战略技术，已成为世界各国科技和产业竞争的焦点。本文从工业生物技术深度融入和支撑生物经济发展的态势出发，系统分析了我国工业生物技术和生物产业发展的现状、短板问题，提出了未来建议重点发展的主要方向。

摘要:生物技术作为21世纪最重要的创新技术之一，颠覆性、引领性、系统性特征日益凸显，智能化、汇聚化、变革化模式不断涌现，在引领未来经济社会发展中的战略地位日益突出。本文深入剖析了天津市发展生物技术和生物产业的基础和优势，介绍了天津市近年来在支持生物技术和生物产业方面的总体部署和举措，以及在支撑生物产业发展方面取得的重要进展，指出大力发展生物技术是天津市实现高质量发展的重要路径，并对生物技术支撑国家和区域经济社会可持续发展、助力天津全面建成社会主义现代化大都市进行了展望。

摘要:在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中，对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建，都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求，相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白，并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来，在工业蛋白质领域进行了多年的积累，成功搭建成了蛋白质结构生物学平台；并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展，通过对这些蛋白进行结构和功能的研究，为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展，将加速合成生物学的学术和工业应用研究，推动我国生物制造领域的科技创新升级。

摘要:作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术，蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战，创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, TIB)创立10周年之际，文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论，并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁，促进新技术、新策略的开发应用，加速融合人工酶的基础研究与产业应用，推动我国生物制造领域的科技创新升级。

摘要:发展绿色低碳的可再生能源体系已经成为重要的国际共识和方向，也是我国践行“双碳”目标、保障能源安全、走社会可持续发展的必要路径。本文聚焦电-氢-糖(electricity-hydrogen-carbohydrate, EHC)循环的新能源理论体系，重点综述了中国科学院天津工业生物技术研究所10余年来在基于体外多酶催化系统(in vitro synthetic enzymatic biosystem, ivSEB)的糖与水反应制氢、糖完全氧化产电，以及氢或电能固定CO₂到糖的生物转化方面所做的工作，阐述体外多酶催化系统的设计原则、分子基础，并从电-氢-糖循环进一步延伸出以糖(淀粉)为核心的体外合成生物制造，结合最新相关研究进展，分析讨论体外多酶催化体系的特色和优缺点，并展望未来发展方向，促进经济和社会的绿色低碳可持续发展。

摘要:二氧化碳(carbon dioxide, CO₂)资源化利用是全球可持续发展面临的巨大挑战。自然界生物固碳绿色环保，但能效低、速度慢，难以满足工业生产需求；物理化学固碳效率高，但能耗高、产品单一，如何结合生物、物理与化学技术优势，以二氧化碳为原料进行生物转化利用是当前迫切需要解决的科技难题。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来的发展，综述了人工固碳元件、途径与系统的设计与构建等前沿基础领域取得的重要进展，特别是首次实现二氧化碳人工合成淀粉，并对建立二氧化碳人工生物转化技术体系进行了展望。相关进展与展望为助力实现“碳达峰、碳中和”目标提供了新思路。

摘要:DNA合成是生命科学领域的共性支撑技术和合成生物学的关键使能技术。以合成生物学为基础的工业生物技术持续快速发展，迫切需要更加便捷、经济、安全的DNA来源以满足其日益增长的大规模DNA合成需求。工业化DNA合成在通量、成本、速度等方面的优势日益凸显，有力推动了工业生物技术研发效率的提升和研发成本的下降。但是现有技术在生产过程中还存在着使用大量有机试剂、资源浪费等问题。随着DNA合成规模的持续快速提升，有毒化学品危害、成本负担、环境负担等问题日益突出。本文结合我们的工作实践，对工业生物技术中DNA合成需求、合成策略以及可持续发展面临的问题和解决方案研究进展进行探讨。

摘要:精准且高效的操纵基因表达或改写基因组序列是基因组编辑领域的研究热点，也是助力工业生物技术快速发展的核心使能技术。基因组编辑技术经历了从锌指核酸酶(zinc finger nucleases, ZFNs)、转录激活因子样效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases, TALEN)和Cas核酸酶3个发展阶段，目前随着CRISPR/Cas这一基因组编辑工具的蓬勃发展，研究人员在工业生物中建立了一系列基于该技术的一代及二代Cas基因组编辑技术，助力大肠杆菌等原核及酿酒酵母等真核工业生物底盘细胞的建立及优化。本文对目前基于常用底盘细胞的工业生物技术进行介绍，并对技术的发展历程、应用效果等特点进行总结，最后展望工业生物技术的未来发展前景，以期为科研人员提供参考。

摘要:组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型，对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律，预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义，因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍，重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用，进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势，对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍，最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。

摘要:合成生物学(synthetic biology)与经典生物学研究的革命性区别之一是合成生物学能将生物实验的对象、方法、技术和流程高度标准化和模块化，创建出自动化与高通量的合成生物铸造模式。该模式通过复杂生物过程与自动化设施的结合，颠覆过往劳动密集型的研究范式，获得更高的技术迭代能力，极大促进了合成生物学的发展和产业化应用。值此天津工业生物技术研究所创立10周年之际，本文回顾了研究所在工业菌种自动化高通量编辑与筛选领域的系列重要工作进展，对基因克隆(gene cloning)、基因组编辑(genome editing)、编辑序列设计(editing sequence design)等生物技术的自动化实现，以及流式细胞、液滴微流控、全基因组规模扰动测序等高通量筛选技术进行了分析讨论，并展望了本领域未来的发展方向。望借此为创建具有自主知识产权的优秀菌种及其产业应用提供智能化、自动化和全链条覆盖的整体支撑能力。

摘要:人工智能(artificial intelligence, AI)技术正引发一场新的产业革命，其成功应用正从信息产业迅速渗透到各行各业。传统的发酵工程技术受到巨大挑战的同时更多地迎来了发展变革的机遇。首先，合成生物技术飞速发展使高性能菌株的可获得性及获取效率显著提升，对传统低效的发酵优化放大技术提出很大挑战，亟需对发酵优化放大技术进行升级，以满足高通量菌种性能验证及工艺开发能力的需求；其次，发酵装备技术的持续发展为高效发酵优化技术的进步奠定了良好基础，加之人工智能技术特别是数字孪生与知识图谱等技术的应用，将为传统发酵技术的颠覆性发展带来巨大推动力。本文分别从合成生物时代对发酵优化技术的挑战、发酵优化与放大的核心技术、高通量发酵装备技术、数据可视化技术、数字孪生及知识图谱等智能技术在发酵优化放大中的应用等几个方面进行综述，并对未来工业发酵优化技术的场景以及未来发酵技术对人才培养等提出的新要求进行了展望。

摘要:生物发酵是以微生物菌种为生物催化剂，以淀粉糖、生物质等可再生资源为原料发酵生产各种食品、化学品、燃料、材料等物质的生产过程，具有绿色、低碳和可持续等特征。我国拥有全球规模最大的生物发酵产业，尤其氨基酸、维生素等传统发酵产品占全球市场份额的60%–80%。发展生物发酵产业对于我国实现“碳中和、碳达峰”的战略目标和生物经济发展具有重要的意义。微生物工业菌种是生物发酵产业的核心，直接影响原料路线、产品种类和生产成本。创新发酵工业菌种，提升其原料转化利用效率，提高产物生产水平，拓展产品种类，是生物发酵产业高质量发展的关键。近年来，合成生物学、系统生物学等学科的发展，进一步加深了研究者对微生物底盘细胞生理代谢机制的理解，加速了基因编辑等菌种设计创制使能技术的发展，为发酵工业菌种改造提升提供了新动能。本文选取了具有代表性的大宗氨基酸、B族维生素、柠檬酸、燃料乙醇等发酵产业，从其工业微生物底盘的基础研究和技术开发角度，综述发酵工业菌种改造提升的最新进展，并展望人工智能、自动化与生命科学交叉融合将对工业菌种迭代产生的重要影响。

摘要:绿色生物工艺是国家战略性新兴产业，具备高效、安全、节能、环保等特点，市场前景广阔。工业酶是绿色生物工艺的“芯片”，新型高效工业酶的开发与应用相关技术是绿色生物工艺的核心。文章综述了工业酶制剂产业现状、以中国科学院天津工业生物技术研究所为代表的研发机构在工业酶及绿色生物工艺开发应用方面产生的一系列关键技术突破与研发进展，展示了通过酶与生物技术的进步提升传统加工产业发展的典型案例，随着这些核心技术的发展将推动越来越多的传统制造业走向绿色可持续发展路线。

摘要:手性在自然界中普遍存在，与生命现象密切相关，也显著影响物质的性能。手性医药化学品的化学合成存在原子经济性、过程经济性差、环境污染和资源浪费严重等问题。生物合成技术具有过程绿色、选择性好等优势。近年来，生物合成技术在手性医药化学品合成关键酶的选择、催化机制解析、光学纯手性中间体合成途径构建、工艺开发及放大生产等方面均取得长足进步，有望解决手性中心构筑复杂、光学纯度低、污染大等手性化学品制造的瓶颈问题，推动我国医药行业的绿色可持续发展。本文主要总结了中国科学院天津工业生物技术研究所成立以来在手性医药化学品生物催化合成方面的一些研究进展。

摘要:植物天然产物是小分子药物、营养品、化妆品、香精香料等的主要来源之一，在国民经济中发挥重要的作用。目前植物天然产物主要依赖于植物提取，这种生产方式占用耕地、生长周期长，而且植物活性成分往往含量低、生产成本高。通过解析植物天然产物生物合成途径，在微生物细胞中重构，创建细胞工厂，实现利用可再生原料发酵合成，为植物天然产物的供给提供了新的路线。本文重点介绍了中国科学院天津工业生物技术研究所在萜类、黄酮类、苯丙素类等重要类型植物天然产物微生物重组合成方面的研究进展，简要探讨了当前研究面临的挑战及未来前景。

摘要:秸秆生物质是储量巨大的碳资源，我国每年可用的生物质资源接近10亿t，如果可以转化为燃料乙醇等生物基化学品，有望减少至少2亿t的原油进口量，因此发展秸秆生物转化生产燃料乙醇和大宗化学品是生物制造的核心组成。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)自建所之初，便提出了“两个替代一个提升”，其中包括以可再生碳资源替代不可再生石化资源生产大宗化学品。发展秸秆生物转化是研究所的长期战略，建所10年来，在这一领域进行了持续系统地研究，取得了显著进展。本文重点综述真菌系统的生物质降解与转化，包括丝状真菌纤维素降解机理，生物质炼制整合路线研发等，实现了生物质一步转化燃料乙醇、苹果酸等多种大宗能源材料化学品。在可再生化工研究方面，重点介绍了丁二酸、乳酸等一批大宗有机酸，以可再生碳资源为原料进行生产的工业化进展，展示了生物制造替代石化路线生产大宗化学品的潜力。天津工业生物所在秸秆生物转化和可再生化工方面的研究，为我国建设发展低碳经济社会提供了有效参考路径，有望为我国实现双碳战略目标作出自己的独特贡献。

摘要:受到人口增长过快、社会经济发展水平不平衡、人口老龄化和不健康饮食方式等影响，人类面临着食品和营养缺乏、部分人群中营养相关疾病高发等问题。同时，社会低碳发展的需求呼唤一种可持续的食物供给模式。因此，既能满足消费者口感和营养需求，又是绿色可持续食物供给模式的技术，例如功能糖、人造肉等未来食品技术，受到了广泛的关注。近年，新兴的生物制造技术及产品得到了迅猛发展，将会支撑形成绿色、低碳的未来食品产业，引发传统生产模式的深刻变革，是新兴生物经济的重大战略发展方向。本文聚焦于未来食品——功能糖、微生物蛋白及人造肉等关键辅配料的生物制造技术研究，追踪其在细胞工厂构建、工业环境下菌种测试与过程优化和衍生产品开发等研究的最新进展，展望未来的发展趋势，旨在为微生物制造未来食品的产业发展提供指导。

摘要:传统氨基酸制造主要是通过化学合成或好氧发酵实现。相对于化学合成，微生物发酵可以实现以可再生资源为原料直接生产氨基酸，减少了对石油基原料的依赖，解决了化学合成高污染、高能耗等问题。好氧发酵具有生长快、产量高等特点，但好氧发酵中大量碳源用于细胞生长容易造成糖酸转化率低、能耗高等问题。厌氧发酵是近年来新出现的氨基酸生产模式，具有操作简单、无需通氧、糖酸转化率高容易接近理论最大值等优势。L-丙氨酸是国际上首个实现厌氧发酵产业化生产的氨基酸。本文以L-丙氨酸为例，综述了氨基酸厌氧发酵过程中的关键问题及其在产业化实施中的应用。未来，随着厌氧发酵关键技术在更多化合物生物制造技术中的突破，这种低成本、高效、低碳环保型发酵方式将会带来更大的经济价值和社会效益。

摘要:甾体激素药物是仅次于抗生素的第二大类药物，当前甾体工业的初始原料已经由从黄姜等植物中提取的薯蓣皂素转向植物甾醇。作为食用油工业的副产物，植物甾醇来源广泛，价格低廉，经微生物转化后可生成雄烯二酮(androstenedione, AD)、雄二烯二酮(androstadiendione, ADD)、9α-羟基-雄烯二酮(9α-hydroxy-androstenedione, 9α-OH-AD)等一系列化合物，这些关键中间体可用于甾体药物合成。甾体代谢途径长、副产物多、调控复杂，传统的微生物筛选、诱变育种方法和油水两相转化体系已经不适于当前的工业生产需求。文中以笔者团队与浙江仙居君业药业有限公司联合开发的新一代甾体药物关键中间体的转化菌株构建和智能化生产为例，综述甾体药物中间体菌种改造和转化工艺开发及其在产业化应用中的进展。未来，随着合成生物学技术的发展，有望开发出更适于甾体药物合成的新一代中间体；乃至以葡萄糖等为原料，使用微生物直接合成甾体原料药。这些生物技术(biotechnology, BT)创建的新一代菌株在基于信息化、智能化技术(intelligent technology, IT)建设的现代工厂中的应用，将会形成更高效、更绿色的生产方式，并产生显著的社会效益和经济价值。

摘要:L-谷氨酸是目前产量最大的氨基酸品种，也是我国生产规模最大的生物发酵产品。随着合成生物技术以及新型生产装备和技术的发展，国内L-谷氨酸菌种和生产技术近年来取得了明显的提升。本文从L-谷氨酸产业的现状分析和关键技术创新需求的角度出发，概述了L-谷氨酸菌种和生产技术的研究进展，介绍了近年来L-谷氨酸生产关键技术的创新开发和产业应用的进展。