合成生物学时代的生物燃料
合成生物学(synthetic biology)是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。合成生物学(Synthetic Biology)是一门结合了生命科学观察分析方法和工程学设计思维的学科，使人类通过工程方法设计、改造甚至从头合成有特定功能的生物系统。
PART 1 合成生物学助力生产可再生生物燃料生物燃料是一种由可再生生物材料生产的燃料，最早的生物燃料是木材和木炭。在原始社会时期，人们简单的燃烧木材用于取暖和烹饪。随着时间的推移，“泽中有火，上火下泽”，公元前4世纪中国人发现了石油，主要用于医药、润滑剂和灯的燃料。19世纪后期，随着地下勘探技术的进步和汽车工业的蓬勃发展，对石油的大量需求促使了石油工业突飞猛进，石油逐渐代替其他能源成为世界范围内的主流燃料。然而，随着全球化的发展和“双碳”战略的提出，传统石油燃料由于对环境影响、温室气体的排放以及化石燃料的枯竭等问题，人们开始转向回到可再生的生物燃料以寻求解决方法。
下一代测序与质谱技术的发展推进了生命科学领域中系统生物学方法的应用，进一步深化了对基因组层面上生物体“基因-RNA-蛋白-代谢-表型”变化规律与调控机制的研究。在系统生物学的基础上，科学家引入工程学思想策略，并将其融合到现代生物学、系统科学及合成科学中，使生物技术系统化和标准化，形成了以理性设计为指导，重组或从头合成新的有特定功能的“人造生命”为目标的合成生物学。合成生物学的发展使人们可以设计和构建细胞工厂，大量生产特定的化学物，这为人们产业化生产生物燃料提供了可能。
PART 2 传统第一代生物燃料存在“与人争粮，与粮争地”问题
“第一代生物燃料”主要是指以农作物为主要原料转化得到的生物燃料。通过发酵玉米小麦这些粮食作物中的淀粉生产生物乙醇，生物乙醇是汽油的替代品，在一些新能源汽车中可以完全替代汽油。传统的发酵技术无法直接将淀粉发酵成乙醇，但是自然界中有成千上万的微生物提供各种各样的发酵变化，其中一些微生物能够从糖和淀粉中产生乙醇，科学家通过设计劫持这些微生物的代谢途径和通路，构建出能够利用淀粉大量生产乙醇的理想生物工厂。这些经过了合成生物学改造了的发酵酵母通常是发酵效率更高，并且能发酵更复杂的植物原料。许多国际生物技术公司研发了一系列优化的酵母菌株，通过改造酵母基因，增强其生产乙醇的能力，同时还能提高酵母的生长速度和生产效率。
PART 3 低碳环保的第二代可再生生物燃料
基于木质纤维素的生物燃料发酵技术具有生产新型生物燃料的潜力，即“第二代生物燃料”。通过非粮食来源的原料如各类农业废弃物，尤其木质纤维素类发酵转化生成清洁的可再生能源，不仅解决了能源危机和环境污染，而且有效规避了以淀粉为底物的第一代生物燃料所带有的“与人争粮、与粮争地”问题。由于原料来自各类非粮食植物，生产过程中的二氧化碳排放净浓度相对降低了90%，有望达到真正碳中和甚至碳负。 以作物秸秆为代表的纤维素类基质原料结构复杂，较难被微生物直接发酵利用，科学家需要通过物理、化学预处理结合酶解方法将纤维素分解为微生物可利用的单糖。但该过程中产生的副产物对发酵微生物有明显的抑制作用，严重影响了微生物的生长速度和发酵效率。因此科学家利用发酵微生物自身具有的转化或代谢抑制物的能力，对微生物进行改造，构建具有高抑制物耐受性能的工程菌株，这些通过合成生物学理性改造后的微生物工厂可以高效的利用水解液进行发酵得到生物质燃料。异丁醇作为一种支链四碳醇，与传统的生物燃料乙醇及正丁醇相比，具有能量密度高、辛烷值高、易混合、蒸汽压低、吸湿性低、腐蚀性小等优点，可直接用于现有的发动机及其他燃油利用设备，也可以直接利用现有的汽油输送管道及分销渠道，被认为是替代汽油的极具发展潜力的新一代生物燃料。
来源：美国谷物协会生物燃料
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