“第三代生物炼制”研究团队部分成员与来访合作者合影。研究团队供图
■本报记者 甘晓
小身材的微生物被寄予巨大的希望——在化石燃料资源日益枯竭、全球变暖逐渐加剧的当下，科学家试图找到有效的办法，让微生物的细胞“打工”，实现二氧化碳“变废为宝”。
近年来，在国家自然科学基金委员会和瑞典科研与教育国际合作基金会合作交流项目“微生物固定二氧化碳和生产生物燃料相关代谢途径构建”支持下，中国工程院院士、北京化工大学教授谭天伟与中国工程院外籍院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·尼尔森（Jens Nielsen）带领各自的科研团队开展深度合作，首次提出“第三代生物炼制”的新概念，利用微生物的“细胞工厂”使可再生能源和大气中的二氧化碳转化为燃料和化学物质。
此次跨国合作中，谭天伟和团队成员为中国学者跻身该领域世界前沿感到自豪。“作为中国学者，我们应当认识到，科学研究绝不仅仅是为了发表论文、获得荣誉，更要有胸怀天下的高贵品格，要为国家乃至全人类的可持续发展作出实质性贡献。”谭天伟向《中国科学报》表示。
尼尔森表示：“很高兴与谭天伟团队携手开展科学研究。我们优势互补，合作十分愉快，为应对人类的共同挑战作出了贡献！”
提出全新概念
2017年在北京举行的国际代谢工程峰会上，会场大屏幕上播放了一段关于全球气候变化的短片。谁也没有预料到，一场卓有成效的跨国科研合作正在酝酿。
谭天伟与来自瑞典的尼尔森相遇。二人低声分享着近期的工作和观点。尼尔森的关注点在于如何利用生物技术更加高效地将生物质转化为清洁能源，谭天伟则分享了自己对于二氧化碳转化技术的观点。
很快，两位专家进行了深入交流。他们欣喜地发现，双方研究方向竟然高度契合。尼尔森从事的生物质转化技术可以为谭天伟从事的二氧化碳转化技术提供有力支持，而谭天伟的研究也可以为尼尔森的研究带来新的视角和思考。
就这样，他们一拍即合，决定携手合作。2018年，由中瑞双方科学家组成的国际科研团队申请国家自然科学基金“微生物固定二氧化碳和生产生物燃料相关代谢途径构建”项目（以下简称项目），并成功获批。
项目实施过程中，科研人员首先按照原料的不同，总结出生物炼制可以分为三代。第一代原料主要是植物油、废弃食用油、含淀粉和含糖植物，其主要产品是生物燃料，包括乙醇、丁醇等。第二代生物制造的原料是非粮食生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣、森林残留物、城市固体废物的有机成分等。与第一代原料相比，第二代生物制造原料不存在与粮食的竞争问题。
在此基础上，他们提出“第三代生物炼制”的新概念，旨在利用微生物细胞工厂将可再生能源和大气中的二氧化碳转化为燃料和化学物质。简单地说，“第三代生物炼制”重在让微生物来“打工”。2020年，相关综述性论文在《自然-催化》上发表。
科研人员的感受是，有了国家自然科学基金项目“加持”，他们有信心在科学原理上开展创新。该项目科学家、北京化工大学教授刘子鹤告诉《中国科学报》，科研团队设计并进行了相关科学实验。实验中，他们在“酿酒酵母”细胞内将二氧化碳转化成甲酸、甲醇等物质，进而合成乙醇、游离脂肪酸等生物燃料。同时，研究人员还开展了以“食气梭菌”为宿主的实验，最终实现了乙醇的生产。
研究过程中，中瑞双方科学家一致认为，科研成果要想真正面向产业化，还需要在实验已经验证科学原理的基础上向前一步。由于二氧化碳催化与发酵产物中包含甲酸、乙酸等酸性物质，在实际生产中这些物质有可能反过来破坏作为宿主的微生物，好比一家工厂生产的产品可能破坏工厂本身的建筑。为此，科研团队进行了耐受性实验，筛选出高度耐受甲酸、乙酸的菌株，解析了碳代谢相关机制。此后，随着国家支持力度不断加大，多位中国学者加入相关领域，取得显著进展。
应对现实挑战
从20世纪40年代氨基酸的大规模发酵和生产，到用生物制造技术生产青蒿素，再到近几年合成生物技术的发展……生物制造已经逐渐引领工业制造化学品的新风潮，也成为不折不扣的绿色发展“突破口”。
这是全球科学家面临的共同挑战，也是在该项目支持下中外科学家携手合作的出发点。
科学家分析，生物制造技术在能源方面发挥作用的方式是能源替代，例如用生物乙醇替代化石资源。在产品方面，每使用1吨生物基化学品，可减少约300吨标准煤的使用和近800公斤二氧化碳的排放。在过程方面，工业过程中每使用1公斤酶制剂，可减排100公斤二氧化碳。
长期从事生物化工研究的谭天伟一直心系国家的绿色发展。他深知，在“双碳”战略大背景下，二氧化碳转化与生物质能源多样化开发至关重要。与此同时，《“十四五”可再生能源发展规划》的出台为可再生能源的使用提出了具体目标。
“这不仅是一个科学问题，更是关乎国家未来能源战略和环境保护的大计。”谭天伟常常向团队成员强调，“科研的最终目的是为了服务社会和人民，研究成果应该与实际应用相结合，给人们的生活带来显著改善。”
这样的科研风格与谭天伟在国外求学期间的经历分不开。1990年2月到1992年10月期间，他在德国生物技术研究所和瑞典隆德大学攻读联合博士研究生学位。
德国导师非常重视选题的成果转化。一次，谭天伟把做了两个多月的实验给导师看，没想到导师直接把他的实验报告撕了。“导师认为，我的选题没有考虑未来的产业化。”他回忆说。而瑞典导师则格外重视创新，常常告诉他，科研上不能总沿着别人已走过的路走。
这些经历开阔了谭天伟的国际视野，让他懂得科研选题要有前瞻性、有产业化前景，路线选择要经济可行。当然，国际交流、合作的过程也让谭天伟实现了学术上的初步积累。这使他相信，想要破解人类发展难题，国际合作是“必选项”。
顶尖团队合作
该项目的实施，让科学家们体会到国际合作为攻克科学难题提供的强劲动力。
首先是研究的互补性。谭天伟团队在二氧化碳转化技术领域有着深厚的研究背景。他们长期致力于研究如何将大气中的二氧化碳有效转化为有价值的化学品或燃料，包括对各种催化剂的研究、微生物代谢转化过程的优化以及整个转化系统的能效分析。
而尼尔森团队则在生物质能源转化领域取得了显著成果。他们专注于如何在各种生物质中通过微生物转化提高生物质的转化效率，并对其内在机理进行深入剖析。
在各自领域都处于顶尖水平的两个团队碰撞出智慧的火花。“科研不应局限在自己的知识领域，开放的心态和持续的学习是推动科研进步的动力。”谭天伟表示。
而不同的文化背景和研究方法则为项目带来了新的视角和灵感，使得研究更为全面和深入。例如，在思维方式上，东方文化往往强调整体性、和谐与平衡，而西方文化更强调个体、逻辑与分析。这使得谭天伟团队在研究中更注重整体系统的平衡和优化，尼尔森团队则更倾向于深入挖掘每一个细节。二者结合使研究既有宏观的布局，又不失微观的深入。
在研究方法上，谭天伟团队在实验设计上更注重实验的实用性和可行性，尼尔森团队则更强调实验的严谨性和科学性。双方合作使得实验既有实际应用的价值，又保证了实验的科学性。
同时，此次国家自然科学基金项目支持下的国际合作还为尼尔森打开了与中国学者深入交流的大门。在谭天伟的推荐下，北京化工大学邀请尼尔森到学校任教，这让尼尔森有机会与更多的中国学者进行交流合作。
不久后，尼尔森在中国的学术活动和贡献得到了广泛认可。2019年，在谭天伟和多位中国学者推荐下，尼尔森成功当选中国工程院外籍院士。
此外，一批优秀青年学者在此次国际合作中成长起来，该项目核心成员刘子鹤便是其中之一。该项目实施期间，她与两位资深学者紧密合作，确保项目研究方向与目标始终保持一致；同时与实验室其他成员沟通，确保实验的顺利进行。
“这次合作是我职业生涯中的一个重要里程碑。它不仅让我在学术上取得了突破，更让我认识到团队合作和跨文化交流的重要性。我深深感谢谭院士和尼尔森教授给予我的机会和指导。”刘子鹤说。
“第三代生物炼制”具有碳负属性，因而对实现碳达峰、碳中和具有重要意义。面向未来，谭天伟认为，二氧化碳转化和生物质能源转化领域仍然存在许多短板和挑战，包括技术短板、资源限制、环境考量及市场接受度等。他指出，学者们应当更加注重不同技术的融合，开发更加注重环境可持续性的技术，注重市场与政策的双驱动。目前，通过有机融合、高效协同包括合成生物学、生物制造等在内的不同研究领域的成果和优势，科研人员可显著提升“第三代生物炼制”的技术水平，最大限度减少人类活动的碳排放，实现应对气候变化、资源可持续利用等，从而助力塑造人类社会的低碳循环经济。
“我们对未来充满信心。相信通过不懈的努力，我们可以为全球绿色发展和环境保护作出更大贡献。”谭天伟表示。
《中国科学报》 (2023-09-25 第4版 自然科学基金)