在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)用浪潮席卷全球之際，能源領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型與升級(jí)也迎來了新的技術(shù)驅(qū)動(dòng)力。其中，生物能源產(chǎn)業(yè)被視為未來清潔能源體系的重要支柱，但其供應(yīng)鏈尚未完全成熟，仍面臨原料、轉(zhuǎn)化效率、經(jīng)濟(jì)性等多重挑戰(zhàn)。在此背景下，合成生物技術(shù)以其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和優(yōu)化生物系統(tǒng)的能力，正從多維度為能源領(lǐng)域注入創(chuàng)新活力。我們專訪了合成生物學(xué)領(lǐng)域的資深專家、合成生物學(xué)競(jìng)賽評(píng)委呂雪峰研究員，探討了合成生物技術(shù)如何賦能能源產(chǎn)業(yè)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中可能扮演的關(guān)鍵角色。
挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存：尚未成熟的生物能源供應(yīng)鏈
呂雪峰指出，當(dāng)前生物能源產(chǎn)業(yè)，無論是傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃料（如生物乙醇、生物柴油），還是更具潛力的先進(jìn)生物燃料（如生物航煤、可再生柴油）或生物基化學(xué)品，其供應(yīng)鏈的成熟度遠(yuǎn)不及化石能源。挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：一是原料端的可持續(xù)性與規(guī)模化供應(yīng)問題，如何高效、低成本地獲取非糧生物質(zhì)（如秸稈、藻類）并避免與糧爭(zhēng)地；二是轉(zhuǎn)化過程中的效率與選擇性，如何通過生物或化學(xué)催化，將復(fù)雜的生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為目標(biāo)能源產(chǎn)品；三是全鏈條的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益平衡，需要綜合考慮從田間到最終產(chǎn)品的碳足跡與成本。
合成生物學(xué)的多維賦能：從底盤細(xì)胞到智能工廠
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，合成生物學(xué)技術(shù)展現(xiàn)出了其獨(dú)特的賦能價(jià)值。呂雪峰從多個(gè)維度進(jìn)行了闡述：
- 底盤細(xì)胞工程化改造：這是合成生物學(xué)的核心。通過基因編輯、代謝工程等手段，可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠。例如，改造酵母或細(xì)菌，使其能夠更有效地利用木質(zhì)纖維素等非糧原料中的五碳糖和六碳糖，生產(chǎn)乙醇、丁醇等燃料分子，或直接合成類似石油烴的長(zhǎng)鏈烷烴，顯著提升原料利用范圍和轉(zhuǎn)化效率。
- 酶催化劑的理性設(shè)計(jì)與進(jìn)化：生物轉(zhuǎn)化過程高度依賴酶催化劑。合成生物學(xué)結(jié)合計(jì)算模擬與定向進(jìn)化，可以設(shè)計(jì)出活性更高、穩(wěn)定性更好、底物范圍更廣的新型酶，用于高效解構(gòu)生物質(zhì)或催化關(guān)鍵合成步驟，降低過程能耗與成本。
- 合成途徑的創(chuàng)新與優(yōu)化：超越自然界現(xiàn)有代謝途徑，從頭設(shè)計(jì)并組裝全新的生物合成路線，用于生產(chǎn)自然界中含量極少或根本不存在的理想能源分子（如高能量密度生物燃料、高值平臺(tái)化學(xué)品），從而拓展產(chǎn)品譜系，提升產(chǎn)品性能與價(jià)值。
- 系統(tǒng)級(jí)整合與適應(yīng)性進(jìn)化：將優(yōu)化后的代謝途徑、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)整合到經(jīng)過工程化改造的底盤細(xì)胞中，并利用自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化等手段，使細(xì)胞工廠能夠在接近工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜條件下（如存在抑制劑、高產(chǎn)物濃度）穩(wěn)定高效地運(yùn)行，提高工藝魯棒性。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合：邁向智能化的生物制造
在討論技術(shù)賦能時(shí)，呂雪峰特別強(qiáng)調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)在研發(fā)與應(yīng)用環(huán)節(jié)的潛在價(jià)值。他認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與合成生物技術(shù)的結(jié)合，有望推動(dòng)生物能源制造向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。
- 在研發(fā)階段：物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)的多種參數(shù)（如pH、溶解氧、代謝物濃度、細(xì)胞密度等），形成高通量、多維度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合，能夠極大加速合成生物學(xué)中的“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)”（DBTL）循環(huán)，快速篩選出最優(yōu)的工程菌株和工藝條件。
- 在生產(chǎn)應(yīng)用階段：在未來的生物能源工廠中，遍布生產(chǎn)線的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成“數(shù)字孿生”的基礎(chǔ)。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程——從原料預(yù)處理、發(fā)酵/催化轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品分離純化——的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)優(yōu)化。通過對(duì)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、精準(zhǔn)控制、能耗與物料的最優(yōu)調(diào)度，從而提升整個(gè)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率和資源利用率，降低運(yùn)營(yíng)成本。
- 在供應(yīng)鏈管理端：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以追溯生物質(zhì)原料的來源、品質(zhì)和運(yùn)輸狀態(tài)，優(yōu)化倉(cāng)儲(chǔ)與物流，確保原料供應(yīng)的穩(wěn)定性與可持續(xù)性，從而加固脆弱的供應(yīng)鏈前端。
展望未來：交叉融合催生新業(yè)態(tài)
呂雪峰道，生物能源產(chǎn)業(yè)的成熟非一日之功，需要材料、化學(xué)、過程工程等多學(xué)科的持續(xù)努力。而合成生物學(xué)提供了從生命系統(tǒng)底層進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具，是突破當(dāng)前技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)，正成為連接生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工業(yè)化放大生產(chǎn)的橋梁，使生物制造過程變得更加可控、智能和高效。兩者的深度融合，不僅有助于解決現(xiàn)有生物能源供應(yīng)鏈的痛點(diǎn)，更有可能催生出全新的生產(chǎn)模式與能源產(chǎn)品，為構(gòu)建可持續(xù)的能源未來提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基石。他鼓勵(lì)青年科研人員和學(xué)生在合成生物學(xué)競(jìng)賽等平臺(tái)上，勇于探索這些交叉領(lǐng)域的前沿課題，為能源領(lǐng)域的科技創(chuàng)新貢獻(xiàn)智慧。
