在物聯(lián)網(wǎng)技術及產(chǎn)品的研發(fā)應用浪潮席卷全球之際，能源領域的轉型與升級也迎來了新的技術驅動力。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，但其供應鏈尚未完全成熟，仍面臨原料、轉化效率、經(jīng)濟性等多重挑戰(zhàn)。在此背景下，合成生物技術以其強大的設計、構建和優(yōu)化生物系統(tǒng)的能力，正從多維度為能源領域注入創(chuàng)新活力。我們專訪了合成生物學領域的資深專家、合成生物學競賽評委呂雪峰研究員，探討了合成生物技術如何賦能能源產(chǎn)業(yè)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術在其中可能扮演的關鍵角色。
挑戰(zhàn)與機遇并存：尚未成熟的生物能源供應鏈
呂雪峰指出，當前生物能源產(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生物燃料（如生物航煤、可再生柴油）或生物基化學品，其供應鏈的成熟度遠不及化石能源。挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在幾個方面：一是原料端的可持續(xù)性與規(guī)模化供應問題，如何高效、低成本地獲取非糧生物質(zhì)（如秸稈、藻類）并避免與糧爭地；二是轉化過程中的效率與選擇性，如何通過生物或化學催化，將復雜的生物質(zhì)高效轉化為目標能源產(chǎn)品；三是全鏈條的經(jīng)濟性與環(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。
合成生物學的多維賦能：從底盤細胞到智能工廠
面對這些挑戰(zhàn)，合成生物學技術展現(xiàn)出了其獨特的賦能價值。呂雪峰從多個維度進行了闡述：
- 底盤細胞工程化改造：這是合成生物學的核心。通過基因編輯、代謝工程等手段，可以設計和構建高效的微生物細胞工廠。例如，改造酵母或細菌，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鏈烷烴，顯著提升原料利用范圍和轉化效率。
- 酶催化劑的理性設計與進化：生物轉化過程高度依賴酶催化劑。合成生物學結合計算模擬與定向進化，可以設計出活性更高、穩(wěn)定性更好、底物范圍更廣的新型酶，用于高效解構生物質(zhì)或催化關鍵合成步驟，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，從頭設計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、高值平臺化學品），從而拓展產(chǎn)品譜系，提升產(chǎn)品性能與價值。
- 系統(tǒng)級整合與適應性進化：將優(yōu)化后的代謝途徑、調(diào)控網(wǎng)絡整合到經(jīng)過工程化改造的底盤細胞中，并利用自適應實驗室進化等手段，使細胞工廠能夠在接近工業(yè)生產(chǎn)的復雜條件下（如存在抑制劑、高產(chǎn)物濃度）穩(wěn)定高效地運行，提高工藝魯棒性。
物聯(lián)網(wǎng)技術的融合：邁向智能化的生物制造
在討論技術賦能時，呂雪峰特別強調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術在研發(fā)與應用環(huán)節(jié)的潛在價值。他認為，物聯(lián)網(wǎng)技術與合成生物技術的結合，有望推動生物能源制造向智能化、精細化方向發(fā)展。
- 在研發(fā)階段：物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以實時、在線監(jiān)測生物反應器內(nèi)的多種參數(shù)（如pH、溶解氧、代謝物濃度、細胞密度等），形成高通量、多維度的實驗數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)與自動化實驗平臺結合，能夠極大加速合成生物學中的“設計-構建-測試-學習”（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)絡構成“數(shù)字孿生”的基礎。它可以實現(xiàn)對整個生產(chǎn)流程——從原料預處理、發(fā)酵/催化轉化到產(chǎn)品分離純化——的全程實時監(jiān)控與動態(tài)優(yōu)化。通過對海量運行數(shù)據(jù)的分析和機器學習，可以實現(xiàn)預測性維護、精準控制、能耗與物料的最優(yōu)調(diào)度，從而提升整個供應鏈的穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率和資源利用率，降低運營成本。
- 在供應鏈管理端：物聯(lián)網(wǎng)技術還可以追溯生物質(zhì)原料的來源、品質(zhì)和運輸狀態(tài)，優(yōu)化倉儲與物流，確保原料供應的穩(wěn)定性與可持續(xù)性，從而加固脆弱的供應鏈前端。
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、過程工程等多學科的持續(xù)努力。而合成生物學提供了從生命系統(tǒng)底層進行創(chuàng)新設計的強大工具，是突破當前技術瓶頸的關鍵使能技術之一。以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術，正成為連接生物系統(tǒng)設計與工業(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)有生物能源供應鏈的痛點，更有可能催生出全新的生產(chǎn)模式與能源產(chǎn)品，為構建可持續(xù)的能源未來提供堅實的技術基石。他鼓勵青年科研人員和學生在合成生物學競賽等平臺上，勇于探索這些交叉領域的前沿課題，為能源領域的科技創(chuàng)新貢獻智慧。
