序文
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摘要
工业生物技能作为可继续展开的重要途径，其立异展开离不开根底学科的支撑。工业生物学研讨工业环境下生物体行为的基本规则和效果机制，处理习惯工业环境的生物体规划构建及运用的要害科学问题，是工业生物技能学科根底。为了整理和凝练工业生物学展开情况，本刊特安排出书专刊，从工业蛋白科学、工业细胞科学和工业发酵科学三个方面，别离论述学科的展开动态，展望未来的展开趋势，为促进工业生物技能展开奠定根底。
面对全球人口增长、气候改变、环境污染、资源缺少等一系列严峻应战，施行立异驱动展开战略，改变经济展开办法，遵循“立异、和谐、绿色、敞开、同享”展开理念，完成绿色、循环、可继续物质供应形式与高质量经济展开，着力立异生物技能、展开生物经济是必选的科技战略。现在，现代生物技能现已从生物医药、生物农业范畴的运用，加快向工业范畴浸透。工业生物技能是继医药生物技能、农业生物技能之后全球生物技能展开的“第三次浪潮”。
工业生物技能的展开为人类供应出产所需的根底化学品、医药、食物、动力和资料等，是现代社会由化石经济向生物经济过渡的必要手法。世界经合安排的事例剖析标明，工业生物技能运用能够下降工业进程能耗15% 80%，质料耗费35% 75%，空气污染50% 90%，水污染33% 80%，出产成本下降9% 90%。例如头孢类抗生素质料头孢氨苄的工业生物技能道路，每吨产品削减运用乙酰酸、乙酯四甲基胍、特戊酰氯等特别化学质料约1.4 t，削减运用二氯甲烷、甲基异丁基酮及异丙醇等有机溶剂约8 t，削减COD排放约80%，削减动力耗费约30%；精密化学品L-丙氨酸全生物组成道路，从5步化工道路变为一步生物工艺，每吨产品削减二氧化碳排放0.5 t，出产成本下降40%以上，能耗削减30%，创造晰一个化纤质料脱节石油价格体系的典范；别的一个事例是根底化学品丁二酸的工业生物技能道路，比较石化道路出产成本下降20%，能耗下降30%，CO2排放削减94%。
触目惊心的污染 来历：《国家地理》
工业生物技能因其清洁、可再生，又被称为白色生物技能，其动力和工业质料方面能够不再彻底依赖于化石动力，大幅削减温室气体排放，并能够下降化学品出产成本和下降对有毒化学助剂的依赖性，是未来工业制作可继续展开的一个重要方向。《生物工程学报》一向重视工业生物技能范畴的展开，曾于2008年、2010年、2011年和2014年出书过4期主题为“工业生物技能”的专刊，遭到读者的欢迎。工业生物技能在快速展开，支撑工业生物技能立异展开的工业生物学也随之快速展开并逐步成为老练的学科。
工业生物学从分子、细胞和体系不同层次解析工业环境下生物体行为的基本规则与效果机制，打破习惯工业环境的酶分子、细胞和多细胞体系的规划构建与优化调控等要害科学问题，进步精密化学品、严重化工产品、大宗发酵产品、天然产品等生物制作工艺功率，是工业生物技能学科根底。尽管用生物科学的理论和办法来处理人类面对的资源、动力和环境问题的潜力巨大，但总体上，生物科学在工业和制作业范畴中的运用仍处于初期阶段。生物体在工业体系中的行为规则还远未被人们知道，生物体处理工业可继续展开问题的才能还远未得到充沛发掘和使用。跟着经济、社会展开对树立绿色、可继续工业体系的迫切要求，研讨人员面对着怎么知道、规划、改造、构建具有新工业运用特点的生物体的应战，面对着怎么提高工业生物技能与生物制作工业科技支撑才能的应战。因而《生物工程学报》于本期出书“工业生物学”专刊。本专刊分3个栏目，共16篇，别离从工业蛋白科学、工业细胞科学和工业发酵科学论述工业生物学的展开现状，展望未来的展开趋势，推动学科的建造和老练，以更好支撑工业生物技能展开。
工业生物学结构图
工业蛋白科学是工业生物学分子层次的学科，核心内容是展开生物信息猜测与核算蛋白质研讨体系，研讨工业酶蛋白的结构与功用构效联系，树立蛋白质序列与功用猜测的技能才能，核算模仿蛋白质催化剂的构型构象，定向规划组成与优化改造人工酶和分子机器。刘卫东和孙周通团队环绕酶结构的可塑性及其催化功用的多样性，论述了工业酶蛋白的结构与功用的构效联系及其对规划改造与运用的重要影响，是完成酶蛋白理性规划，乃至从头规划组成条件根底。针对核算办法对工业蛋白质研讨的重要性，刘海燕团队体系论述了用于工业酶研讨的分子力学力场和分子动力学模仿、量子力学以及量子力学/分子力学结合模型、连续介质静电模型、分子对接等首要核算化学办法的相关展开；许建和团队具体介绍了各种核算办法和规划战略用于解析酶的催化反应机理、提高酶的催化功用，然后为立异面向工业运用的高功用酶蛋白奠定根底。吴边与孙周通团队在总结蛋白质工程展开趋势的根底上，要点评述了当前面向工业运用的核算机辅佐蛋白质规划改造方面的展开与运用，指明晰新的展开方向。郑仁朝团队论述了酶在高温、强酸/碱、高盐、有机溶剂和高底物浓度等工业环境下的催化行为以及对其习惯性改造的研讨展开，为酶蛋白功用优化供应参阅。针对近来多酶分子机器的巨大运用潜力，游淳团队体系地总述了根据酶元件/模块的体外多酶分子机器的构建战略，以及改进多酶分子机器中酶元件/模块之间适配性的研讨展开，并剖析了多酶分子机器的展开前景与应战。
枯草芽孢杆菌脂肪酶A 来历：本期《工业酶结构与功用的构效联系》
工业细胞科学是工业生物学细胞层次的学科，核心内容是结合组学解析，体系研讨和知道细胞生理和代谢功用的分子根底，经过构建核算机细胞猜测生理或代谢功用，将代谢途径或体系模块拼装成为能够高效人工细胞或“细胞工厂”，而且研讨和提高出产进程中与环境钳制及浸透压钳制抗性相关的鲁棒性、与高代谢活性相关的习惯性，然后习惯大规划工业出产的要求。以天然产品组成为例，陈实团队结合基因组学相关技能的展开，总述了天然产品组成的基因组破译、解析以及激活方面的研讨展开，为构建出产天然产品，乃至其他更多化学品的人工细胞供应了重要参阅。针对知道细胞生理与代谢特征的需求，刘立明团队体系评述了基因组规划代谢网络模型的相关研讨展开，剖析了其在代谢网络特性解析、细胞表型猜测与规划辅导以及进化进程与相互效果知道中的重要效果；马红武团队进一步结合精确代谢网络模型需求引进蛋白量、热力学等束缚条件，要点评述了多种酶束缚模型的展开，以更精确真实地模仿和猜测细胞在环境和基因扰动下的代谢行为，为人工细胞规划改造供应更精确牢靠的辅导。蔺玉萍团队介绍了细胞鲁棒性状的遗传调控与钳制呼应机制、基因组大局扰动与多位点快速进化以及细胞水平氧还平衡的大局扰动方面的展开，指出了需求凭借组成生物学等多种手法加强对工业环境下细胞鲁棒性状调控机理的解析及体系工程改造的必要性。在体系深化了解的根底上，陶勇团队从最优组成途径创立、代谢流平衡、足够前体和能量供应、产品和代谢中间体的反应按捺免除等方面总述了“细胞工厂”规划与拼装的基本准则，为完成高效工业运用奠定根底。
细胞工厂 来历：本期《生物制作“细胞工厂”的规划与拼装》
工业发酵科学是工业生物学体系层次的学科，核心内容是研讨工业发酵中的细胞行为及自习惯机制，发酵进程模仿仿真，发酵条件下对细胞代谢调控及根据细胞状况的发酵参数快速智能操控。郑平缓孙际宾团队不只论述了基因组、转录组、蛋白组、代谢组与代谢流组等体系生物学研讨办法及其对人工细胞改造的重要性，也介绍了组学对工业发酵进程优化与扩大的影响；组学数据与微观发酵表型数据以及发酵罐的流体动力学数据的整合剖析能够从微观到微观，从分子到体系水平，全面知道工业发酵进程，并取得高效扩大优化的有用战略。李德茂团队结合工业生物发酵进程模仿的展开与展开趋势，评述了细胞和反应器信息的体系级整合能够深化了解杂乱的发酵进程，并能完成进程的优化与操控，可是相关信息的整合需求树立愈加杂乱的模型结构，这是新一代工业发酵科学面对的巨大应战。针对生物体在工业发酵进程中遭受环境钳制或改变时会发生细胞自习惯行为的现象，史仲平团队以毕赤酵母异源蛋白表达和丁醇两个典型发酵进程为例，论述了环境改变条件下的细胞自习惯行为及其根据自习惯行为的发酵进程优化办法和战略，为使用根据细胞自习惯行为的发酵进程优化供应了参阅。堵国成团队从发酵进程动力学模型、细胞代谢特性、发酵提取相耦合与反应器规划4个方面，总结和评论发酵进程多标准解析与调控的研讨展开，论述了整合剖析发酵进程不同标准特征而且针对性地展开多标准整合调控是完成高效工业生物发酵的重要战略。庄英萍团队结合多标准理论与配备、细胞微观代谢在线检测传感技能以及生理代谢参数相关剖析的相关展开，进一步对工业生物进程智能操控与传感、大数据库树立和数据深度核算以及生物进程智能决议方案进行了总述和展望，为提高工业生物进程自动化、数字化和智能化水平进步了重要参阅。
工业生物学是支撑工业生物技能重要学科根底。作为一门新式的穿插学科，工业生物学鸿沟还不十分明确，但它在研讨办法上具有生物科学、物质科学和工程科学严密协作的特征，这种学科的亲近穿插表现了现代技能科学的生机与优势。多学科穿插浸透与集成立异已成为工业生物学展开的新方向。期望经过本专刊的推出，标定出我国工业生物学展开的新的“起点”。在这新的“起点”，经过生物学与物理学、化学、核算机科学和工程学的穿插与整合，使工业生物学不断老练和强大，加快新一代工业生物技能的展开，促进构成新的工业生物工业形状，促进加工办法的革新和传统工业的提高，为人类面对的动力、资源和环境问题供应全新的处理方案。此外，本专刊内容上如有不足之处，期望各位同行和广大读者进一步批评指正。
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---------- 本文通讯作者 ----------
王钦宏
研讨员，博士生导师，我国科学院“百人方案”当选者，天津市立异人才推动方案工业组成生物立异团队负责人。2003年在我国科学院微生物研讨所获博士学位。2004 2009年先后在美国奥克拉荷马大学和加州理工学院从事博士后。2016年荣获天津市五一劳动奖章。首要从事工业生物的进化与代谢工程研讨。近年来，在metab Eng、Biotechnol Biofuels、ACS Synth Biol、Anal Chem等范畴干流SCI期刊宣布科研论文40余篇，请求国家创造专利20项。现为学术期刊Scientific Reports和《生物工程学报》编委。
马延和
研讨员，博士生导师，工业酶国家工程试验室主任。首要从事极点微生物与生物工程的研讨与运用。已在Nat Commun、Angew Chem Int Ed、metab Eng等杂志宣布SCI论文250多篇，请求创造专利150多项，已获授权60余项，主编专著2部。曾获国家技能创造二等奖、我国科学院创造二等奖、我国科学院科技促开展开奖、中石化联合会技能创造一等奖、我国轻工联合会科技进步一等奖等。曾任国家863方案生物医药范畴专家组专家，国家973方案严重项目首席科学家，现为世界学术期刊3Biotech副主编、《我国科学：生命科学》《生物工程学报》编委等，为国家战略性新式工业咨询专家委员会委员、国家新资料展开咨询专家委员会委员等。
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