结合合成生物学和反应器技术的生物制氢研究

化石能源是人类当前的主要能源，然而其在地球上的储量有限且不可再生，发展洁净、可再生的能源是各国均关注的一个热点话题。合成生物学是将科学与工程结合起来的新兴学科，用于设计制造新型生物功能和系统，目前被应用到包括制药、材料等诸多领域。合成生物学在能源领域的应用引人关注，它所创立的人工合成体系可将可再生的生物质能高效转化、生产多种我们所需要的新型生物燃料。基于已报道的人工酶耦合体系进行生物制氢的途径仍有两个主要的技术障碍：1）相对较低的反应速率；2）反应起始底物、酶及辅因子的高成本。本课题将对人工酶耦合体系制氢途径进行重新设计并对途径中的基本元件进行挖掘，构建体外多酶耦合体系作为最基本的功能模块，并结合反应器技术，在实验室规模反应器中探索实施该反应体系，并在人造功能器件的帮助下进行优化组装，提高生物制氢的工作效率。相关技术和思路也可为采用该技术进行其他能源产品和化学品及医药品的高效制造提供借鉴。

化石能源是人类当前的主要能源，然而其在地球上的储量有限且不可再生，发展洁净、可再生的能源是各国均关注的一个热点话题。合成生物学是将科学与工程结合起来的新兴学科，用于设计制造新型生物功能和系统，目前被应用到包括制药、材料等诸多领域。合成生物学在能源领域的应用引人关注，它所创立的人工合成体系可将可再生的生物质能高效转化、生产多种我们所需要的新型生物燃料。基于已报道的人工酶耦合体系进行生物制氢的途径仍有主要技术障碍：相对较低的反应速率，反应起始底物、酶及辅因子的高成本。本课题设计了从半纤维素到生物氢气生产的合成途径，其中涉及到13种酶，重点构建和表征了其中三个重要的酶元件，即，木酮糖激酶，转酮酶，转醛酶。这三个酶的获得及它们的优异的耐热性能使得它们在无细胞生物制氢及其他无细胞合成重要的生物化学品和能源产品等方面具有重要应用潜力。通过元件挖掘、制备条件优化等，通过合作研究，实现了体外生物制氢过程。.将合成生物学技术与反应器技术的结合这一思路应用于高附加值的药物中间体的制备，包括7-磷酸景天庚酮糖、2表5表有效醇酮，验证了设计思路，初步获得了目标产物。.同时，考虑生物能源应用的多样性和现实需求，从生物制氢拓展到燃料乙醇的制备，开展了从木质纤维素到生物乙醇的研究，利用本实验室筛选获得的一株毕赤酵母菌，取得了利用玉米芯水解液直接高效率产乙醇的良好结果。.进一步应用体内合成生物学的概念，人工设计了已二酸的生物合成途径，并获得了实验验证。.上述工作表明，合成生物学与生物反应器工程相结合，可对重要生物化学品、能源产品、药物前提等制备具有良好的应用潜力；当然，面向工业应用，尚有待开展更多的深入的研发工作。我们期待本项目的相关技术和思路也可为采用该技术进行其他能源产品和化学品及医药品的高效制造提供借鉴。