我國(guó)擁有世界最大的發(fā)酵產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)了全球大部分的氨基酸、有機(jī)酸、抗生素和維他命等。近年來(lái)，我國(guó)的發(fā)酵產(chǎn)業(yè)也延伸到工業(yè)產(chǎn)品，包括能源、化工產(chǎn)品以及材料等。

　　由于發(fā)酵產(chǎn)業(yè)對(duì)能源、糧食和水的消耗巨大，該產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該向著原料到產(chǎn)品的高轉(zhuǎn)化率、節(jié)能及節(jié)水的方向發(fā)展。對(duì)不同的產(chǎn)品，也應(yīng)該設(shè)立不同的節(jié)能減排目標(biāo)。

　　對(duì)于我國(guó)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的定位，除了應(yīng)繼續(xù)鞏固發(fā)酵產(chǎn)品最大生產(chǎn)國(guó)地位之外，更應(yīng)該向高端方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)部分代替石油，生產(chǎn)大宗材料、能源、化工產(chǎn)品等。

　　盡管，這個(gè)過(guò)程可能是漫長(zhǎng)甚至是充滿風(fēng)險(xiǎn)的。

　　合成生物學(xué)助力

　　我國(guó)發(fā)展發(fā)酵產(chǎn)業(yè)應(yīng)該擴(kuò)展到利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，如纖維素、非糧淀粉、非糧脂肪酸等為原料，生產(chǎn)材料、能源、化工產(chǎn)品等，逐漸減少對(duì)石油的依賴。

　　要想發(fā)展生物發(fā)酵這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，就不得不在技術(shù)上作好儲(chǔ)備。

　　目前，我國(guó)的發(fā)酵產(chǎn)業(yè)在硬件方面已經(jīng)達(dá)到很高的水平，因此，解決節(jié)能減排的工作重點(diǎn)應(yīng)該放在菌種的改良上。

　　合成生物學(xué)提出的方法，則是對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)菌種根本性的改造，包括代謝通路的重構(gòu)、基因組的改造和全細(xì)胞的改造。

　　總的來(lái)說(shuō)，發(fā)展發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的目的就是要構(gòu)建一個(gè)逐漸可以與化工過(guò)程相競(jìng)爭(zhēng)的工業(yè)生物產(chǎn)業(yè)。

　　提高菌種效率是關(guān)鍵

　　如上所述，發(fā)酵產(chǎn)業(yè)需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是菌種的效率等。例如如何使微生物細(xì)胞更快地生長(zhǎng)、如何實(shí)現(xiàn)跨種屬染色體在一個(gè)細(xì)胞內(nèi)共存、如何解除微生物總體調(diào)控等。(詳見(jiàn)圖表)

　　可以說(shuō)，上述菌種的改造工作，事實(shí)上也是合成生物學(xué)正在研究的題目。其中，復(fù)合功能微生物的構(gòu)建是重要方向。希望因此獲得一個(gè)能快速生長(zhǎng)、能進(jìn)行多種基因整合、抗染菌、允許多個(gè)染色體在細(xì)胞中共存，從而獲得多種性能，能生產(chǎn)多種產(chǎn)品的微生物制造平臺(tái)菌株。

　　現(xiàn)階段，菌種改造的工作更為急迫。近期和中期菌種改造研究的重要應(yīng)用領(lǐng)域包括改造控制生長(zhǎng)速度的微生物基因組，使微生物細(xì)胞更快地生長(zhǎng);限制細(xì)胞群體效應(yīng)，使發(fā)酵能達(dá)到更高的密度等。

　　菌種改造研究的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：

　　改造控制生長(zhǎng)速度的微生物基因組，使微生物細(xì)胞更快地生長(zhǎng)，利用快速生長(zhǎng)的微生物菌株生產(chǎn)大宗化工產(chǎn)品，提高生物過(guò)程相對(duì)于化工過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)性。

　　限制細(xì)胞群體效應(yīng)，使發(fā)酵能達(dá)到更高的密度，提高生物產(chǎn)品單位時(shí)間和單位體積的生產(chǎn)效率。

　　實(shí)現(xiàn)跨種屬染色體在一個(gè)細(xì)胞共存，使細(xì)胞具有多種功能(特別是利用纖維素快速生長(zhǎng)獲得目標(biāo)產(chǎn)物)。

　　開(kāi)發(fā)(發(fā)明)一種普適的構(gòu)建最小基因組微生物底盤的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上整合獲得功能性代謝路徑，用于可控制造各種生物化工產(chǎn)品;

　　大片段基因的獲得和在染色體里的整合和表達(dá)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，解決復(fù)雜化合物的微生物發(fā)酵生產(chǎn)問(wèn)題。

　　獲得能使多個(gè)染色體在一個(gè)細(xì)胞中共存的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能微生物的構(gòu)建，特別是利用纖維素快速生長(zhǎng)獲得目標(biāo)產(chǎn)物的復(fù)合功能微生物菌株。

　　實(shí)現(xiàn)低成本染色體的化學(xué)合成，可以低成本地合成優(yōu)化的生物或化學(xué)產(chǎn)物合成途徑來(lái)進(jìn)行表達(dá)生產(chǎn)。

　　解除微生物總體調(diào)控的機(jī)制，最大程度地獲得目標(biāo)產(chǎn)物，如材料和能源等。

　　開(kāi)發(fā)制動(dòng)刪除內(nèi)顯子的DNA刪除技術(shù)，獲得新的、快速生長(zhǎng)的真核微生物。

　　總之，提高菌種的效率是提高我國(guó)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。

　　開(kāi)拓先進(jìn)發(fā)酵工藝技術(shù)

　　此外，發(fā)酵工業(yè)具有高耗能、高耗水和不連續(xù)、易染菌的缺點(diǎn)，也導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)業(yè)成本的增加，減少了其競(jìng)爭(zhēng)性。

　　未來(lái)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)應(yīng)該向著無(wú)高溫滅菌、低耗水和連續(xù)發(fā)酵方向發(fā)展，以最終達(dá)到節(jié)能減排的目的。

　　最近，我國(guó)在嗜鹽發(fā)酵生產(chǎn)生物塑料聚羥基脂肪酸酯(PHA)方面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了至少兩周的開(kāi)放發(fā)酵，使PHA 成為有競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)業(yè)的步伐又向前邁進(jìn)了一步。

　　未來(lái)，可以利用海水為介質(zhì)、發(fā)掘嗜鹽菌在高 pH值、高溫和高鹽濃度條件下的特點(diǎn)，建立一個(gè)能進(jìn)行無(wú)高溫滅菌、低耗水(利用海水)和連續(xù)發(fā)酵的、有競(jìng)爭(zhēng)性的發(fā)酵產(chǎn)業(yè)。