高效降解生物质的自然生物系统资源利用与仿生——香山科学会议第395次学术讨论会综述

2011-07-14

    能源短缺和环境污染是当前人类面临的重大挑战。生物质资源在解决能源和环境问题方面有着巨大的潜力,是人类未来理想的资源和能源。但是,生物质经济和高效转化利用的科学难题,至今在国际上尚未有根本性突破。选择新的研究战略,开辟新的技术路线,不仅是当今国际生物质能源领域的前沿探索,而且对实现我国在此方面的基础理论研究和技术创新的重大突破、推进我国生物质能源的产业化发展具有重大战略意义。近年来,研究和利用以白蚁为代表的各类自然生物高效转化系统,为攻克生物质高效经济转化的难题开辟了一个可能的新途径。为了探讨和明确利用自然生物系统资源实现生物质高效转化利用的关键科学问题和解决途径,相关领域的科学家于2011年4月27日~29日在北京召开了以“高效降解生物质的自然生物系统资源利用与仿生”为主题的香山科学会议第395次学术讨论会。会议由杨胜利研究员、康乐研究员、孙建中教授和陈树林教授担任会议执行主席,40余位国内外专家学者参加了会议,他们分别来自高等院校、研究院所、大型国有企业和管理部门等单位;他们分别从事昆虫、生物工程、化学化工、微生物、工程热物理、能源工程、科研管理等学科工作 。会议围绕自然生物系统资源在生物质高效转化中的科学价值及应用前景;高效木质纤维素降解酶基因工程及酶工程的关键科学问题;高效微生物资源筛选、改造与利用的关键科学问题;模拟自然生物系统高效降解木质纤维素的仿生理论与技术途径等四个中心议题进行了深入的讨论。
    孙建中教授作了“模拟与利用自然生物系统实现生物质高效转化的前沿科学问题”主题评述报告。他认为我国生物质转化利用研究必须跳出传统的研究思路,重新认识自然高效生物转化系统资源利用的科学价值。同时,还需要重点解决四个前沿科学问题即:不同自然生物系统木质纤维素的高效转化机制及其理论价值与仿生应用前景;自然生物系统高效木质纤维素降解酶系统资源挖掘及其工程化利用;高效微生物资源(包括生物共生系统)筛选、改造与利用;自然生物系统高效降解木质纤维素的过程仿生理论基础与实现途径。孙建中教授介绍了国内外有关自然生物转化系统的研究进展,并针对生物质高效转化和利用自然生物转化系统已有研究中的存在问题,提出要制定新的战略,开拓新的技术途径,从系统生物学的角度,通过生物技术、工程技术和仿生技术的结合,深刻全面认识自然生物系统,进而构建从模拟自然生物系统开始并最终面向应用的、一个技术集成的高效转化木质纤维素的仿生系统,使我国生物质高效转化利用在基础理论和核心技术方面实现根本突破,促进我国生物质能源产业化的发展。
    陈树林教授作了“生物质在白蚁肠道中的转化机制和仿生系统的探索”主题评述报告,他介绍了白蚁对植物胞壁降解机制领域的最新研究进展,指出白蚁肠道系统的合理配置使其体内的生物质转化过程有序地发生,白蚁及其体内肠道微生物在拆解植物胞壁的过程中存在着协同作用。白蚁因具备相对完善的植物胞壁降解体系而成为最为高效的生物降解系统之一。如果将来自其它生物降解体系的新酶与白蚁体内的酶整合,有可能构建出在主要性能方面超越自然界生物体系的人工降解体系,将会为木质纤维生物质的炼制及利用提供解决方案。
    在主题评述报告讨论中,与会专家认为:基因组计划的完成,使得核酸序列测定的成本不断降低,为我们通过序列测定和分析,从基因组、代谢组角度解析自然生物系统提供了可能,将对仿生系统的构建提供帮助。应该建立自然生物系统评价体系,比较不同系统的能耗、效率等。在实现从现象认识到量化分析的发展中,需采用数学模拟,实现基于网络和数学模型的全能量分析和过程系统构建。通过对自然生物系统生物质高效转化过程的机制分析,阐明以白蚁为代表的自然生物系统真正能为人类提供高效转化过程的资源利用与仿生系统构建的理论基础。
    一、自然生物系统资源在生物质高效转化中的科学价值及应用前景
    与会专家在报告中重点介绍了牛瘤胃、白蚁、天牛和白腐真菌等几个代表性自然生物系统的最新研究进展,包括运用宏基因组、宏转录组、宏蛋白组、生物信息学和系统整合等手段,全面深入地解析自然生物转化催化系统中生物质的降解机理。应当学习、借鉴和充分利用自然生物系统以及相关木质纤维素酶基因资源,改造现有的工业生物质降解转化过程的技术体系,构建经济和高效的木质纤维素处理过程系统,通过创建高效仿生生物反应器理论体系和实现的技术途径,为能源产业提供经济、高效和可行的高效转化平台。
    与会专家还就“食草动物肠道微生物降解木质纤维素的策略”、“白蚁纤维素酶系统的多样性及其进化”和“白蚁消化系统纤维素酶基因资源的开发与利用”等问题作了研讨。
    二、高效木质纤维素降解酶基因工程及酶工程的关键科学问题
    与会专家在报告中针对木质纤维素水解酶的基因工程问题,介绍了木质纤维素水解酶基因的高效表达和无包涵体表达技术。提出了通过基因的定位改造和定向进化获得超自然的高活性木质纤维素新酶的有效途径;新型表达载体pHsh系统中的基因表达调控机制不同于商品化的表达载体,采用大体积热激诱导技术取代化学诱导剂在发酵罐中有效地诱导基因表达;功能基因glmS/gfaI被成功用作筛选标记,使细菌重组表达体系的选择性不再依赖于抗药基因和抗菌素,并且使酵母基因工程菌在营养富裕的天然培养基中得到有效筛选;新的可溶性表达技术克服了来源于真核生物的基因在原核体系中易产生包涵体的问题,为大幅度降低纤维素酶的生产成本提供了新的途径。
    与会专家还就“木霉纤维素酶组学研究”、“木质纤维素降解酶的蛋白质工程改造”和“纤维素酶分子进化的若干问题”等问题作了研讨。
    三、高效微生物资源筛选、改造与利用的关键科学问题
    与会专家在报告中提出木质纤维素糖化过程的关键是实现高效、无污染的纤维原料预处理和廉价、高效的复合纤维素酶系生产。深度预处理会生成大量发酵抑制物或环境污染物等,因此,现在的研究方向是发展组合预处理技术,在较温和的条件下有效分离纤维组分,进而分离提取部分相对高值的副产品。纤维素酶系生产技术的发展趋势是深入研究微生物的酶系组成,发现新的高效酶组分,通过对产酶微生物遗传改造或合理复配,提高酶的比活力。应特别关注木质纤维素中结晶结构解聚的分子机理及涉及的生物因子的鉴定、特征化和能量平衡,发现新的高效酶分子和有协同作用的非酶生物因子,人工构建最优化纤维素酶系统,降低总的酶蛋白用量和成本。深入解析在长期自然进化中形成的一些自然生物系统的高效降解生物质的机理,可为我们设计生物质降解转化系统提供全新的思路。
    与会专家还就“木生真菌天然腐朽机制探究与生物质高效转化”和“元基因组与单细胞基因组技术在生物能源研究中的应用”等问题作了研讨。
    四、模拟自然生物系统高效降解木质纤维素的仿生理论与技术途径
    与会专家在报告中总结了微生物能源转化技术的主要分类、应用领域和发展现状,从热力学第一定律、第二定律出发,分析了微生物能源转化过程的主要影响因素,指出了进行全生命周期评价的意义,提出了构建高效微生物能源转化系统的途径以及存在的关键基础科学问题。概述了自然生物系统的仿生理论及其在微生物转化过程强化中的应用,并提出应该从化学、化工和热力学角度出发,通过多产物联产、能量和物质的梯级转化利用、过程强化等手段,实现自然生物系统仿生反应系统的构建。
    与会专家还就“未来生物质加工产业的生物反应器模式”和“木质纤维素酶解仿生反应器及过程强化”等问题作了研讨。
    五、几点建议
    1.必须充分认识加强自然生物高效转化系统及其仿生利用研究对我国生物质能源产业发展的重大战略意义,建议尽快从2011年开始筹建召开范围更大的、定期或不定期的国际/全国降解木质纤维素的自然生物系统资源利用与仿生系统构建的专题学术研讨会,具体承办建议由生物工程学会组织。
    2.建议国家对自然高效生物转化系统及其仿生利用研究进行专题立项,加强基础研究投入。与会专家建议,我国应该在生物质能源领域或先进生物制造领域进行国家重大专题立项(如973、自然科学基金重大项目等),支持并组织多学科交叉的合作团队,进行系统的基础理论和核心技术研究攻关(包括上述4个中心议题方向),抢占生物质能源国际前沿科学研究和产业化应用的制高点,从根本上提升我国生物质转化利用基础理论研究和产业化应用水平。更为重要的是,对自然高效生物转化系统的仿生研究是一个以过程仿生为目标的全新仿生,涉及许多学科领域以及先进生物技术与工程技术的结合,属于国际研究的前沿,其科学价值不仅体现在生物质能源的产业化应用,还将在过程仿生基础理论创新方面在国际上率先实现重要突破。其结果不仅有可能形成全新的生物仿生高效转化技术、也会对改进传统的木质纤维素预处理和水解技术提供新的启示。
    3.建议率先在世界范围内开展重要自然生物系统全基因组(包括白蚁等)的测序研究工作,为生物质高效降解过程仿生装置的实现提供科学基础。目前,随着研究工作的深入,对白蚁等重要生命系统全基因组信息的了解非常重要,白蚁能巧妙的降解和利用木质素的功能基因基本上都来自白蚁自身(如低等白蚁),这类木质素酶基因以及其它相关基因资源在自然界中具有非常独特的地位和重要科学应用价值,我国的科学家应该有条件占领这方面的研究制高点。
    4. 建议加强生物质高效转化过程的定性与定量分析的基础研究,提出生物质高效转化系统的评价方法和通用标准显得非常基础和重要,同时也是国际生物质能源领域又一个重要前沿方向。尽管自然界有许多生物系统可以迅速并大量降解木质纤维素,对其转化过程与系统特征的认识,我们仍然缺乏有效的定性和定量的科学评价手段和适用的标准。因此,加强此方面的基础研究,应该在国家的宏观层面上得到重视并设立专项研究基金或专题。
    5.建议加强自然生物系统资源利用及其仿生研究的国际合作。目前,在自然生物系统资源利用及以白蚁为代表的生物质转化过程机制与酶系基因资源工程化实现方面,中美科学家已在多个方面开展了多年的合作研究。因此,建议尽快成立中美生物质能源研究的专门国际合作研究机构或平台(以我为主),培育高水平的研究队伍,加快我国以纤维素为原料的能源产品研究和开发能力,最终实现我国生物质能源产品的产业化应用。

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