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中國學(xué)者要胸懷天下！細(xì)胞“工廠”創(chuàng)造綠色未來
作者：甘曉 來源：中國科學(xué)報
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小身材的微生物被寄予巨大的希望——在化石燃料資源日益枯竭、全球變暖逐漸加劇的當(dāng)下，科學(xué)家試圖找到有效的辦法，讓微生物的細(xì)胞“打工”，實現(xiàn)二氧化碳“變廢為寶”。
近年來，在國家自然科學(xué)基金委員會和瑞典科研與教育國際合作基金會合作交流項目“微生物固定二氧化碳和生產(chǎn)生物燃料相關(guān)代謝途徑構(gòu)建”支持下，中國工程院院士、北京化工大學(xué)教授譚天偉與中國工程院外籍院士、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授延斯·尼爾森（Jens Nielsen）帶領(lǐng)各自的科研團(tuán)隊開展深度合作，首次提出“第三代生物煉制”的新概念，利用微生物的“細(xì)胞工廠”使可再生能源和大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)物質(zhì)。
此次跨國合作中，譚天偉和團(tuán)隊成員為中國學(xué)者躋身該領(lǐng)域世界前沿感到自豪�！白鳛橹袊鴮W(xué)者，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，科學(xué)研究絕不僅僅是為了發(fā)表論文、獲得榮譽(yù)，更要有胸懷天下的高貴品格，要為國家乃至全人類的可持續(xù)發(fā)展作出實質(zhì)性貢獻(xiàn)�！弊T天偉向《中國科學(xué)報》表示。
尼爾森表示：“很高興與譚天偉團(tuán)隊攜手開展科學(xué)研究。我們優(yōu)勢互補(bǔ)，合作十分愉快，為應(yīng)對人類的共同挑戰(zhàn)作出了貢獻(xiàn)！”
2017年在北京舉行的國際代謝工程峰會上，會場大屏幕上播放了一段關(guān)于全球氣候變化的短片。誰也沒有預(yù)料到，一場卓有成效的跨國科研合作正在醞釀。
譚天偉與來自瑞典的尼爾森相遇。二人低聲分享著近期的工作和觀點。尼爾森的關(guān)注點在于如何利用生物技術(shù)更加高效地將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為清潔能源，譚天偉則分享了自己對于二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)的觀點。
很快，兩位專家進(jìn)行了深入交流。他們欣喜地發(fā)現(xiàn)，雙方研究方向竟然高度契合。尼爾森從事的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)可以為譚天偉從事的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)提供有力支持，而譚天偉的研究也可以為尼爾森的研究帶來新的視角和思考。
就這樣，他們一拍即合，決定攜手合作。2018年，由中瑞雙方科學(xué)家組成的國際科研團(tuán)隊申請國家自然科學(xué)基金“微生物固定二氧化碳和生產(chǎn)生物燃料相關(guān)代謝途徑構(gòu)建”項目（以下簡稱項目），并成功獲批。
項目實施過程中，科研人員首先按照原料的不同，總結(jié)出生物煉制可以分為三代。第一代原料主要是植物油、廢棄食用油、含淀粉和含糖植物，其主要產(chǎn)品是生物燃料，包括乙醇、丁醇等。第二代生物制造的原料是非糧食生物質(zhì)，包括谷物秸稈、甘蔗渣、森林殘留物、城市固體廢物的有機(jī)成分等。與第一代原料相比，第二代生物制造原料不存在與糧食的競爭問題。
在此基礎(chǔ)上，他們提出“第三代生物煉制”的新概念，旨在利用微生物細(xì)胞工廠將可再生能源和大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)物質(zhì)。簡單地說，“第三代生物煉制”重在讓微生物來“打工”。2020年，相關(guān)綜述性論文在《自然-催化》上發(fā)表。
科研人員的感受是，有了國家自然科學(xué)基金項目“加持”，他們有信心在科學(xué)原理上開展創(chuàng)新。該項目科學(xué)家、北京化工大學(xué)教授劉子鶴告訴《中國科學(xué)報》，科研團(tuán)隊設(shè)計并進(jìn)行了相關(guān)科學(xué)實驗。實驗中，他們在“釀酒酵母”細(xì)胞內(nèi)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲酸、甲醇等物質(zhì)，進(jìn)而合成乙醇、游離脂肪酸等生物燃料。同時，研究人員還開展了以“食氣梭菌”為宿主的實驗，最終實現(xiàn)了乙醇的生產(chǎn)。
研究過程中，中瑞雙方科學(xué)家一致認(rèn)為，科研成果要想真正面向產(chǎn)業(yè)化，還需要在實驗已經(jīng)驗證科學(xué)原理的基礎(chǔ)上向前一步。由于二氧化碳催化與發(fā)酵產(chǎn)物中包含甲酸、乙酸等酸性物質(zhì)，在實際生產(chǎn)中這些物質(zhì)有可能反過來破壞作為宿主的微生物，好比一家工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品可能破壞工廠本身的建筑。為此，科研團(tuán)隊進(jìn)行了耐受性實驗，篩選出高度耐受甲酸、乙酸的菌株，解析了碳代謝相關(guān)機(jī)制。此后，隨著國家支持力度不斷加大，多位中國學(xué)者加入相關(guān)領(lǐng)域，取得顯著進(jìn)展。
從20世紀(jì)40年代氨基酸的大規(guī)模發(fā)酵和生產(chǎn)，到用生物制造技術(shù)生產(chǎn)青蒿素，再到近幾年合成生物技術(shù)的發(fā)展……生物制造已經(jīng)逐漸引領(lǐng)工業(yè)制造化學(xué)品的新風(fēng)潮，也成為不折不扣的綠色發(fā)展“突破口”。
這是全球科學(xué)家面臨的共同挑戰(zhàn)，也是在該項目支持下中外科學(xué)家攜手合作的出發(fā)點。
科學(xué)家分析，生物制造技術(shù)在能源方面發(fā)揮作用的方式是能源替代，例如用生物乙醇替代化石資源。在產(chǎn)品方面，每使用1噸生物基化學(xué)品，可減少約300噸標(biāo)準(zhǔn)煤的使用和近800公斤二氧化碳的排放。在過程方面，工業(yè)過程中每使用1公斤酶制劑，可減排100公斤二氧化碳。
長期從事生物化工研究的譚天偉一直心系國家的綠色發(fā)展。他深知，在“雙碳”戰(zhàn)略大背景下，二氧化碳轉(zhuǎn)化與生物質(zhì)能源多樣化開發(fā)至關(guān)重要。與此同時，《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》的出臺為可再生能源的使用提出了具體目標(biāo)。
“這不僅是一個科學(xué)問題，更是關(guān)乎國家未來能源戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)的大計。”譚天偉常常向團(tuán)隊成員強(qiáng)調(diào)，“科研的最終目的是為了服務(wù)社會和人民，研究成果應(yīng)該與實際應(yīng)用相結(jié)合，給人們的生活帶來顯著改善�！�
這樣的科研風(fēng)格與譚天偉在國外求學(xué)期間的經(jīng)歷分不開。1990年2月到1992年10月期間，他在德國生物技術(shù)研究所和瑞典隆德大學(xué)攻讀聯(lián)合博士研究生學(xué)位。
德國導(dǎo)師非常重視選題的成果轉(zhuǎn)化。一次，譚天偉把做了兩個多月的實驗給導(dǎo)師看，沒想到導(dǎo)師直接把他的實驗報告撕了。“導(dǎo)師認(rèn)為，我的選題沒有考慮未來的產(chǎn)業(yè)化�！彼�回憶說。而瑞典導(dǎo)師則格外重視創(chuàng)新，常常告訴他，科研上不能總沿著別人已走過的路走。
這些經(jīng)歷開闊了譚天偉的國際視野，讓他懂得科研選題要有前瞻性、有產(chǎn)業(yè)化前景，路線選擇要經(jīng)濟(jì)可行。當(dāng)然，國際交流、合作的過程也讓譚天偉實現(xiàn)了學(xué)術(shù)上的初步積累。這使他相信，想要破解人類發(fā)展難題，國際合作是“必選項”。
該項目的實施，讓科學(xué)家們體會到國際合作為攻克科學(xué)難題提供的強(qiáng)勁動力。
首先是研究的互補(bǔ)性。譚天偉團(tuán)隊在二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域有著深厚的研究背景。他們長期致力于研究如何將大氣中的二氧化碳有效轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品或燃料，包括對各種催化劑的研究、微生物代謝轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)化以及整個轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的能效分析。
而尼爾森團(tuán)隊則在生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得了顯著成果。他們專注于如何在各種生物質(zhì)中通過微生物轉(zhuǎn)化提高生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，并對其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行深入剖析。
在各自領(lǐng)域都處于頂尖水平的兩個團(tuán)隊碰撞出智慧的火花。“科研不應(yīng)局限在自己的知識領(lǐng)域，開放的心態(tài)和持續(xù)的學(xué)習(xí)是推動科研進(jìn)步的動力�！弊T天偉表示。
而不同的文化背景和研究方法則為項目帶來了新的視角和靈感，使得研究更為全面和深入。例如，在思維方式上，東方文化往往強(qiáng)調(diào)整體性、和諧與平衡，而西方文化更強(qiáng)調(diào)個體、邏輯與分析。這使得譚天偉團(tuán)隊在研究中更注重整體系統(tǒng)的平衡和優(yōu)化，尼爾森團(tuán)隊則更傾向于深入挖掘每一個細(xì)節(jié)。二者結(jié)合使研究既有宏觀的布局，又不失微觀的深入。
在研究方法上，譚天偉團(tuán)隊在實驗設(shè)計上更注重實驗的實用性和可行性，尼爾森團(tuán)隊則更強(qiáng)調(diào)實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。雙方合作使得實驗既有實際應(yīng)用的價值，又保證了實驗的科學(xué)性。
同時，此次國家自然科學(xué)基金項目支持下的國際合作還為尼爾森打開了與中國學(xué)者深入交流的大門。在譚天偉的推薦下，北京化工大學(xué)邀請尼爾森到學(xué)校任教，這讓尼爾森有機(jī)會與更多的中國學(xué)者進(jìn)行交流合作。
不久后，尼爾森在中國的學(xué)術(shù)活動和貢獻(xiàn)得到了廣泛認(rèn)可。2019年，在譚天偉和多位中國學(xué)者推薦下，尼爾森成功當(dāng)選中國工程院外籍院士。
此外，一批優(yōu)秀青年學(xué)者在此次國際合作中成長起來，該項目核心成員劉子鶴便是其中之一。該項目實施期間，她與兩位資深學(xué)者緊密合作，確保項目研究方向與目標(biāo)始終保持一致；同時與實驗室其他成員溝通，確保實驗的順利進(jìn)行。
“這次合作是我職業(yè)生涯中的一個重要里程碑。它不僅讓我在學(xué)術(shù)上取得了突破，更讓我認(rèn)識到團(tuán)隊合作和跨文化交流的重要性。我深深感謝譚院士和尼爾森教授給予我的機(jī)會和指導(dǎo)�！眲⒆愈Q說。
“第三代生物煉制”具有碳負(fù)屬性，因而對實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和具有重要意義。面向未來，譚天偉認(rèn)為，二氧化碳轉(zhuǎn)化和生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域仍然存在許多短板和挑戰(zhàn)，包括技術(shù)短板、資源限制、環(huán)境考量及市場接受度等。他指出，學(xué)者們應(yīng)當(dāng)更加注重不同技術(shù)的融合，開發(fā)更加注重環(huán)境可持續(xù)性的技術(shù)，注重市場與政策的雙驅(qū)動。目前，通過有機(jī)融合、高效協(xié)同包括合成生物學(xué)、生物制造等在內(nèi)的不同研究領(lǐng)域的成果和優(yōu)勢，科研人員可顯著提升“第三代生物煉制”的技術(shù)水平，最大限度減少人類活動的碳排放，實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化、資源可持續(xù)利用等，從而助力塑造人類社會的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
“我們對未來充滿信心。相信通過不懈的努力，我們可以為全球綠色發(fā)展和環(huán)境保護(hù)作出更大貢獻(xiàn)�！弊T天偉表示。
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