济南大学研究生课程考查试卷课程编号：QZ283001课程名称：信息与文献检索学时16 学分 1 学号：20172120470 姓名牛浩学科、领域生物工程学生类别：全日制专业学位成绩：任课教师（签名）1、考核形式(采用大作业、论文、调研报告、实验报告等)：课程论文2、考查（内容、目的等）具体要求：写一篇与所从事专业相关的综述性论文字数在3000字左右书写格式规范，论述清晰，层次分明3、成绩评定说明（含平时成绩、考核成绩）：平时成绩主要包括考勤和平时作业，考勤共计10分，平时作业共计20分，占总成绩的30%。

期末课程论文共计70分，占总成绩的70%。

总成绩为平时成绩与课程论文成绩的加和，即100分。

合成生物学在生物燃料领域的研究摘要：本文简要介绍了合成生物学的概念，生物燃料的研究现状、研究前景以及未来可能会遇到的一些挑战。

探讨了合成生物学在生物燃料研究中的应用进展包括提高生物质原料的转化特性、开发绿色高效生物催化剂、构建微生物细胞工厂以及设计合成多种生物燃料产品。

最后对合成生物学在生物燃料领域的研究做出了展望。

关键词：合成生物学；生物燃料；研究现状；前景；挑战；应用进展1 合成生物学概述合成生物学(synthetic biology) 是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域。

它既是由分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法，又通过按照人为需求( 科研和应用目标)，人工合成有生命功能的生物分子( 元件、模块或器件)、系统乃至细胞，并自系统生物学采用的“自上而下”全面整合分析的研究策略之后，为生物学研究提供了一种采用“自下而上”合成策略的正向工程学方法[1]。

它不同于对天然基因克隆改造的基因工程和对代谢途径模拟加工的代谢工程，而是在以基因组解析和生物分子化学合成为核心的现代生物技术基础上，以系统生物学思想和知识为指导，综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素( 模块) 及其组合的工程化的资源库和技术平台，旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程，以及具有生命活动能力的生物部件、体系以及人造细胞和生物个体。

2 生物燃料研究现状与挑战2.1 生物燃料的研究现状生物燃料主要包括纤维素生物燃料(乙醇、丁醇等)、微藻生物燃料(生物柴油、航空生物燃料等)，以及最近两年研究较热的新型优质生物液体燃料(高级醇、脂肪醇、脂肪烃等)和利用新技术路线合成的生物乙醇与生物柴油(蓝藻乙醇、微生物直接利用纤维素水解糖体内合成生物柴油等)等。

“可持续性”是生物燃料的核心特征，其具体表现为：作为原料的生物质资源不与食物资源竞争;能量高，生产过程减少对水、土地和肥料的消耗;不对环境或当地人口造成负面影响;产量大，成本低廉。

目前，为了提高生物燃料的可持续性、推进生物燃料的研发与应用，人们开展了各种新兴领域的研究与探索工作，并不断取得阶段性突破。

从生物燃料的产业化现状来看，目前全木质纤维素类能源作物和藻类等原料类的应用颇具前景。

目前美国已有数十家纤维素乙醇中试工厂在运行，预计第一家大规模纤维素乙醇示范工厂也将很快投入运营;高级生物柴油在芬兰和新加坡已经有大规模的工厂开始生产，目前产量还相对较低，但在不远的将来有望实现完全商业化生产;微藻制油技术由于成本较高，目前仍处于中试阶段，但在技术发展和商业运作方面已经有了一些有益的尝试，未来实现产业化的可能性很大[2]。

2.2生物燃料的前景与挑战与太阳能、风能等可再生能源相比，生物燃料更适合直接用于交通运输燃料。

预期至2050年，生物燃料将占总交通运输燃料的27%，尤其在替代柴油、煤油和喷气燃料方面将发挥重要作用，预计使用生物燃料每年将减少21亿吨二氧化碳排放。

为达到此目标，许多传统技术需要改良以提高转化效率、降低成本，提升可持续性。

美国生物技术工业组织(BIO)发的《基于RFS的纤维素和高级燃料的价值定位》政策白皮书中指出[3]，由于纤维素乙醇和其他高级生物燃料技术仍处于新兴阶段且成本昂贵，纤维素乙醇和高级生物燃料的技术仍处于研发和市场化前期阶段。

事实上，已经有70多个先导项目的生物精炼示范工厂在美国北部实验性地运行，用以促进该技术的进一步提升。

当前，随着经济全球化趋势的不断深化和人类对于可持续发展的迫切要求，世界各国正在积极努力转变经济增长方式、调整经济和产业结构，并强化开发节能降耗措施，这给生物燃料的发展提出了综合环境与经济效益的新的标准。

因此，各国从政策扶持、企业行动和技术集成等多方面入手，正在大力推进生物燃料的研发与应用[4]。

为了跨越先进生物燃料从基础研发到技术应用的“死亡之谷”，核心途径是要突破生物技术领域的创新。

合成生物学位于未来生物技术革命的前沿，融合了生物燃料从原料开发到转化加工等多个层面的技术创新，无疑是重要的突破点之一。

3 合成生物学在生物燃料研究中的应用进展3.1 提高生物质原料的转化特性合成生物学应用于植物生物工程学，辅助生物质原料作物的筛选和分子设计，有助于提高单位产量和抗菌抗病能力，进而提高生物质原料作物的光能利用效率，将其设计改造为高效的植物生物反应器。

Mariam Sticklen 等发现了能够降解玉米茎和叶片中纤维素的关键酶基因，并通过对玉米基因进行修饰，使玉米在收割后，其自身产生的酶能够对细胞壁进行自我降解[5]。

法国农业科学研究院(INRA)证实了漆酶确有参与拟南芥的木质化过程。

在茎中表达的漆酶基因若是未表达，木质素含量只会微量降低;但若是被删除，则在导致木质素含量减少40%的同时，促进细胞壁的糖化作用，这为科学家利用合成生物学改造能源作物减少木质素含量提供参考依据。

近年来，芒类植物由于其生长快、产量高、易繁殖的特点，已作为一种具有重要开发利用前景的能源作物而受到高度关注。

美国能源部和农业部联合资助的基因组学研究发现，其中“加快芒属植物驯化”项目对芒属植物的基因组结构、功能和组织的研究为进一步进行遗传改良和优质品种选育奠定了基础。

3.2 开发绿色高效生物催化剂酶的定向进化和新型酶与多酶体系的构建是与合成生物学相关的重要研究内容，能够帮助提高生物燃料的生物催化转化过程的效率，并有效降低成本。

美国加州理工大学和基因合成公司DNA2.0 的研究人员在从纤维素原料中提取酶方面迈出了新的一步，所提取的糖能够轻易地被转化为乙醇和丁醇等可再生燃料。

德国RWE电力公司和BRAIN公司联合利用合成生物学技术[6]，开发由二氧化碳转化为微生物质和生物分子的技术。

两家公司期望通过微生物改造以产生新的酶，并开发创新的合成路径。

此外，自然界中资源丰富，还有很多高效酶有待于挖掘，设计高通量的筛选策略，从生物体(主要指微生物)中分离出具有更好性能的酶为下一步合成生物学改造提供材料。

近年来兴起的宏基因组技术和比较基因组学为分离众多未培养微生物所产的新酶提供了有力的工具。

例如，通过构建极端微生物的宏基因组文库可有效鉴定具有多种性能的新型酯酶;利用宏基因组技术从白蚁和牛胃中发现一些纤维素酶，为构建纤维素高效利用提供了材料。

3.3 构建微生物细胞工厂微生物在数十亿年的进化中形成了与人类日常生产生活关系密切的生物化学途径，几乎能合成地球上所有的有机化学品。

认识并改造微生物自然代谢能力，提高微生物利用各种生物质的能力，并经过人为的重组和优化，重新分配微生物细胞代谢的物质流和能量流，使其成为服务于生物炼制的细胞工厂。

这样，丰富的生物质资源才有可能真正成为替代石油的工业原料，高效地制备生物能源和替代石油化工原料的平台化合物。

大肠杆菌、酵母和微藻等模式微生物由于其结构简单、遗传背景清楚、遗传操作手段成熟，被广泛用做合成生物学研究宿主。

美国加州大学伯克利分校的化学家们将一套酶系统的5个酶中的2个替换成来源于其它生物体的同源酶(来自丙酮丁醇梭菌、齿垢密螺旋体和富养罗尔斯通氏菌)，然后再转化到大肠杆菌，进而避免正丁醇被重新转化成最初的化学原料。

新改造的大肠杆菌每升原料可生产近5g的正丁醇，与野生梭菌产能量相近，是现有工业化微生物系统产量的10倍[7]。

通过提高少数几个瓶颈处的酶活性，可以将产量再增加2 ～3倍，并可以考虑扩大到工业化规模。

同时研究小组还在调整新的合成途径以适应于酵母细胞。

Tsai等在酵母中首次成功地构建人造纤维小体，与含有许多天然纤维小体的细菌相比，它对乙醇的耐受性更强。

酵母纤维小体可使由酶催化纤维素水解同时进行发酵的一步法生物加工过程生产效率更高。

因此，利用工程化酵母菌株使生物质生产生物乙醇的工艺流程更有效，更具经济价值。

科学家们希望通过对微生物群落的合成生物学改造，充分利用微生物群落的各种合成能力，用于生物燃料和其他有用产品的生产。

而微生物群落一旦形成，组成菌群的细菌并非各个体的简单组合，而更像一个微生物的超级组织，可以完成更为复杂和高效的转化任务。

3.4 设计合成多种生物燃料产品随着合成生物学研究用于第二代生物乙醇、生物柴油等生物燃料产品的研发，并取得越来越多的技术进展，一些有发展前景的生物燃料产品已经步入准商业化生产进程。

基于微生物代谢的合成生物学研究对于设计和制造多种新型生物燃料产品具有重要意义。

美国加州大学洛杉矶分校的研究人员通过改变大肠杆菌的氨基酸生物合成途径，使其更加适于长链醇燃料的生产，这是研究者首次成功合成长链醇。

与乙醇相比，长链醇含有更多碳原子，能量密度更大，更易从水中分离，有望成为理想的替代生物燃料。

Keasling等利用合成生物学原理敲除了大肠杆菌DH1菌株脂肪酸分解基因fadD增加以脂肪酸供应，并表达硫酯酶TesA、脂酰-CoA连接酶ACL、酯合成酶AtfA，从而构建了脂肪酸乙酯(生物柴油)生物合成途径。

通过对生物合成途径对优化改造将进一步提高脂肪酸乙酯产量。

美国Gevo 公司集合了化学、发酵、加工和基因工程等多个领域的研究[8]，近年重点研发异丁醇及其衍生物的生产平台与技术，其中三项关键技术已经帮助公司开始进行商业规模的生产。

2011年，Keasling 研究组以合成生物学的方式构建出一种大肠杆菌与一种酿酒酵母，成功生产没药烷型倍半萜烯，这种没药烯进行加氢反应生成的没药烷可作为新型的绿色生物燃料，有潜力成为D2柴油的替代品。

此外，在生物燃料生产过程中产生的副产品和废弃产品的再利用和转化方面，合成生物学研究也有一定的发展空间和前景。

人们已经开始在相关研究中引入了基因工程的实践。

例如，美国莱斯大学开发利用基因改造的大肠杆菌把生物柴油生产的副产品甘油转化为高价值的化学制品的技术，所得到的琥珀酸等有机酸可作为生产塑料、制药和食品添加剂等产品的重要原料，能够提高燃料制造商的效益。

4 展望合成生物学在过去的十年中得到了飞速发展。