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中國學者要胸懷天下！細胞“工廠”創(chuàng)造綠色未來
作者：甘曉 來源：中國科學報
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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下，科學家試圖找到有效的辦法，讓微生物的細胞“打工”，實現(xiàn)二氧化碳“變廢為寶”。
近年來，在國家自然科學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)生物燃料相關代謝途徑構建”支持下，中國工程院院士、北京化工大學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教授延斯·尼爾森（Jens Nielsen）帶領各自的科研團隊開展深度合作，首次提出“第三代生物煉制”的新概念，利用微生物的“細胞工廠”使可再生能源和大氣中的二氧化碳轉化為燃料和化學物質。
此次跨國合作中，譚天偉和團隊成員為中國學者躋身該領域世界前沿感到自豪。“作為中國學者，我們應當認識到，科學研究絕不僅僅是為了發(fā)表論文、獲得榮譽，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)展作出實質性貢獻�！弊T天偉向《中國科學報》表示。
尼爾森表示：“很高興與譚天偉團隊攜手開展科學研究。我們優(yōu)勢互補，合作十分愉快，為應對人類的共同挑戰(zhàn)作出了貢獻！”
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于全球氣候變化的短片。誰也沒有預料到，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。尼爾森的關注點在于如何利用生物技術更加高效地將生物質轉化為清潔能源，譚天偉則分享了自己對于二氧化碳轉化技術的觀點。
很快，兩位專家進行了深入交流。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轉化技術可以為譚天偉從事的二氧化碳轉化技術提供有力支持，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，由中瑞雙方科學家組成的國際科研團隊申請國家自然科學基金“微生物固定二氧化碳和生產(chǎn)生物燃料相關代謝途徑構建”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，包括谷物秸稈、甘蔗渣、森林殘留物、城市固體廢物的有機成分等。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。
在此基礎上，他們提出“第三代生物煉制”的新概念，旨在利用微生物細胞工廠將可再生能源和大氣中的二氧化碳轉化為燃料和化學物質。簡單地說，“第三代生物煉制”重在讓微生物來“打工”。2020年，相關綜述性論文在《自然-催化》上發(fā)表。
科研人員的感受是，有了國家自然科學基金項目“加持”，他們有信心在科學原理上開展創(chuàng)新。該項目科學家、北京化工大學教授劉子鶴告訴《中國科學報》，科研團隊設計并進行了相關科學實驗。實驗中，他們在“釀酒酵母”細胞內(nèi)將二氧化碳轉化成甲酸、甲醇等物質，進而合成乙醇、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，中瑞雙方科學家一致認為，科研成果要想真正面向產(chǎn)業(yè)化，還需要在實驗已經(jīng)驗證科學原理的基礎上向前一步。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，在實際生產(chǎn)中這些物質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，科研團隊進行了耐受性實驗，篩選出高度耐受甲酸、乙酸的菌株，解析了碳代謝相關機制。此后，隨著國家支持力度不斷加大，多位中國學者加入相關領域，取得顯著進展。
從20世紀40年代氨基酸的大規(guī)模發(fā)酵和生產(chǎn)，到用生物制造技術生產(chǎn)青蒿素，再到近幾年合成生物技術的發(fā)展……生物制造已經(jīng)逐漸引領工業(yè)制造化學品的新風潮，也成為不折不扣的綠色發(fā)展“突破口”。
這是全球科學家面臨的共同挑戰(zhàn)，也是在該項目支持下中外科學家攜手合作的出發(fā)點。
科學家分析，生物制造技術在能源方面發(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噸生物基化學品，可減少約300噸標準煤的使用和近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，二氧化碳轉化與生物質能源多樣化開發(fā)至關重要。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。
“這不僅是一個科學問題，更是關乎國家未來能源戰(zhàn)略和環(huán)境保護的大計。”譚天偉常常向團隊成員強調，“科研的最終目的是為了服務社會和人民，研究成果應該與實際應用相結合，給人們的生活帶來顯著改善�！�
這樣的科研風格與譚天偉在國外求學期間的經(jīng)歷分不開。1990年2月到1992年10月期間，他在德國生物技術研究所和瑞典隆德大學攻讀聯(lián)合博士研究生學位。
德國導師非常重視選題的成果轉化。一次，譚天偉把做了兩個多月的實驗給導師看，沒想到導師直接把他的實驗報告撕了�！皩�師認為，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)濟可行。當然，國際交流、合作的過程也讓譚天偉實現(xiàn)了學術上的初步積累。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，讓科學家們體會到國際合作為攻克科學難題提供的強勁動力。
首先是研究的互補性。譚天偉團隊在二氧化碳轉化技術領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化為有價值的化學品或燃料，包括對各種催化劑的研究、微生物代謝轉化過程的優(yōu)化以及整個轉化系統(tǒng)的能效分析。
而尼爾森團隊則在生物質能源轉化領域取得了顯著成果。他們專注于如何在各種生物質中通過微生物轉化提高生物質的轉化效率，并對其內(nèi)在機理進行深入剖析。
在各自領域都處于頂尖水平的兩個團隊碰撞出智慧的火花。“科研不應局限在自己的知識領域，開放的心態(tài)和持續(xù)的學習是推動科研進步的動力�！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，東方文化往往強調整體性、和諧與平衡，而西方文化更強調個體、邏輯與分析。這使得譚天偉團隊在研究中更注重整體系統(tǒng)的平衡和優(yōu)化，尼爾森團隊則更傾向于深入挖掘每一個細節(jié)。二者結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，譚天偉團隊在實驗設計上更注重實驗的實用性和可行性，尼爾森團隊則更強調實驗的嚴謹性和科學性。雙方合作使得實驗既有實際應用的價值，又保證了實驗的科學性。
同時，此次國家自然科學基金項目支持下的國際合作還為尼爾森打開了與中國學者深入交流的大門。在譚天偉的推薦下，北京化工大學邀請尼爾森到學校任教，這讓尼爾森有機會與更多的中國學者進行交流合作。
不久后，尼爾森在中國的學術活動和貢獻得到了廣泛認可。2019年，在譚天偉和多位中國學者推薦下，尼爾森成功當選中國工程院外籍院士。
此外，一批優(yōu)秀青年學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，她與兩位資深學者緊密合作，確保項目研究方向與目標始終保持一致；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。它不僅讓我在學術上取得了突破，更讓我認識到團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會和指導�！眲⒆愈Q說。
“第三代生物煉制”具有碳負屬性，因而對實現(xiàn)碳達峰、碳中和具有重要意義。面向未來，譚天偉認為，二氧化碳轉化和生物質能源轉化領域仍然存在許多短板和挑戰(zhàn)，包括技術短板、資源限制、環(huán)境考量及市場接受度等。他指出，學者們應當更加注重不同技術的融合，開發(fā)更加注重環(huán)境可持續(xù)性的技術，注重市場與政策的雙驅動。目前，通過有機融合、高效協(xié)同包括合成生物學、生物制造等在內(nèi)的不同研究領域的成果和優(yōu)勢，科研人員可顯著提升“第三代生物煉制”的技術水平，最大限度減少人類活動的碳排放，實現(xiàn)應對氣候變化、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。
“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)境保護作出更大貢獻�！弊T天偉表示。
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