清华学者谈未来废弃物生物精炼法

　　米乐平台 M6米乐平台 M6为以可持续的方式满足人们日益增长的需求，利用微生物组生产各种化学品已经成为具有巨大前景的研究方向之一。

　　在此之后，研究者通过回顾当前废弃物生物炼制与微生物组应用领域中的问题，指出未来的微生物组发展在于将科学原理与技术和工程结合起来，同时借助数字化工具重新理解并设计微生物组。

　　借助分子生物学、基因组信息和计算机技术的发展，深耕于合成生物学和代谢工程的研究者已实现 532 种天然或非天然化合物的生产，这些产品涵盖了食品、医药、环境、日用品、化妆品等多个领域。

　　合成生物学和代谢工程是汇聚了生物学与工程学的新型交叉学科，其得到世界各国生物经济政策的支持，并且广泛促进了生物制造的发展。生物制造通常由底物选择、微生物建立和工程实施（包括工艺路线、操作参数控制、终产物提取和废物处理）三个重要环节组成。

　　其中，微生物的建立是相关研究和产业化的焦点所在。特别是想要利用更加复杂的废物作为基质的情况下，使用微生物组取代单一的工程菌株将更具潜力。因此，微生物组工程和废弃物生物精炼研究于近年来逐渐兴起。

　　其中，自下而上的方法旨在将不同的微生物种群结合起来，让其按照预先确定的路线合理地承担相互关联的代谢功能。该方法的设计原则在于建立起最小程度的合作关系，包括上下游代谢环节关系和辅助关系。然而，当前该方法在化工生产中需要保持无菌的发酵环境，并且由于复杂的生态机制和技术限制，目前在一个生物合成反应器内涉及的微生物菌株不超过四种。

　　另一方面，如果生物精炼过程是在开放、低能耗的过程中进行且无需严格灭菌，则优选自上而下的方法。该方法常通过环境变量带动生态系统中微生物群落的变化、演替或恢复过程中的生态系统过程，以实现最终所需的功能。基于自上而下的方法，研究者已成功实现了多种化学品（例如乳酸、乙醇、甲醇、短链、中链和长链脂肪酸、氢气、塑料）的生产。

　　两种方法相较，自上而下构建方法具有如下特征：功能冗余度高、依赖于环境压力的自组织、复杂的物种相互作用以及微生物与外部开放环境的频繁迁移。正是由于这些特性，研究者可以精炼更加复杂的废弃物，其产业实施也更具经济效益。然而，该方法合成的大多数产品仅限于初级产品，很少涉及中间代谢物。此外，如果存在多种最终产品，就很难实现生产的精确控制。

　　总体而言，自下而上和自上而下的构建方法在应用于不同生物制造场景时各具优势与劣势。可以预见，两种方式将在未来慢慢趋同，在弥补各自短板的同时，让各自的优势得到质的提升和突破。

　　考虑到废弃物生物精炼厂微生物组工程的未来发展，研究者提出了一个新的综合概念“可持续合成微生物组学（sustainable synthetic microbiomics）”。这一概念将自下而上和自上而下的方法相结合，从而利用低价值废弃物实现高生产率、精确预测控制、便捷操作等生产需求，从而提高经济、环境和社会的可持续性。

　　综合“科学-技术-工程”的视角，研究者认为未来可持续合成微生物组学的研究包括但不限于：微生物生态学在微生物组合成代谢中的应用；代谢流和产物种类的精确模型控制和预测；监测、分析并整合微生物数据的新工具；建立匹配的工艺模式和路线。

　　▲图丨未来废物生物炼制微生物组的发展趋势（来源：Microbial Biotechnology）

　　基于微生物组的废弃物生物炼制与其他的微生物组应用存在很大不同。这是由于生物精炼存在多步骤的生产过程，因此需要对整个系统进行全面的思考与设计。重要的是，合成代谢是一个熵减过程，这就对微生物组提出了更高的要求。对于该方向在未来的应用，研究者指出需要关注以下热点问题。

　　平衡功能的稳健性和生产力是其中一个独特问题。一方面，复杂稳定的种间关系能够使系统功能保持稳健，能够承受开放环境的影响。另一方面，简单的合成群落或纯培养物可以使高产细菌发挥作用，从而提高生产力。

　　例如，在使用微生物组生产聚羟基脂肪酸酯（PHA）时，只有少数具有高 PHA 积累能力的菌群是必需的。其他种群并非有意引入，但可以通过维持系统功能稳定性以及功能种群之间的相互作用来推断它们的存在。生产过程中，研究人员应用不同的“饥荒”制度来最大程度地减少 PHA 积累能力低或无 PHA 积累能力的种群数量，从而进一步提高 PHA 生产力。从这个角度来看，研究者需要创新地应用生态理论，创建一个优化、简易的微生物群落，既能保证 PHA 高产菌株的优势，又能保持种群结构的稳定。

　　在此之后，生物质浓度也是决定生物炼制生产率和工艺经济性的关键因素。传统上，大宗生物基化学品的生产采用高生物质密度的大肠杆菌或酵母发酵来提高产量并降低生产成本。然而，对于废弃物生物炼制所需的高生物质密度微生物组仍然需要更多研究。这是由于微生物群落之间的相互作用在高和低生物量密度下可能会有所不同，因此需要探索高生物量密度下的生态原理并应用新颖的工程化策略。

　　使用自上而下构建法时，如何提高产品选择性也是一个具有挑战性的问题。造成该问题的原因是底物成分复杂，导致难以控制和调节微生物群的代谢产物。幸运的是，由于更多新兴数据库的建立，研究人员可以轻松探索微生物组的代谢作用。通过对微生物组进行初步分析，以及基于数据的生物炼制条件设计将有助于实现精确的系统控制。

　　相关业内人士指出，基于宏组学（Meta-Omics）数据和先进的计算机工具可以实现微生物数据的快速整合，以更好地了解并合成天然微生物组。其中，宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学的快速发展带动了对于微生物的多样性及其功能的更多理解。

　　第三代测序技术的发展极大地促进了人们对于物种和基因结构的认识，这对于解析高度复杂微生物组的基因信息起到至关重要的作用。然而，目前大多数自上而下方法的生物炼制研究仍然存在局限，无法做到对于一般生态规则的发现和应用。这是因为系统的复杂性越高，其环境的随机振荡和复杂系统的内在属性所带来的双重影响就越显著。

　　研究者指出，如果能够在人工智能等工具的帮助下重新思考微生物生态系统，就有可能重新理解并分析复杂生态系统的运作模式。此外，基于不同尺度的微生物数据，研究者还可以在机器学习的帮助下开发新的模型，从而增强微生物组的可预测性。

　　总体而言，随着研究者对于微生物组研究的不断深入，基于“设计-构建-测试-学习（DBTL）”的研究方法将在实践中得到广泛应用。目前，人们已经可以实现三种合成微生物系统的自动化设计。在此之后，通过构建起对于自上而下和自下而上构建原理的综合理解，人们将有望实现更加复杂的微生物群落设计和操作。