在过去的一个世纪里，科学技术的发展给通讯、能源、电子、医药、运输、国防等各个领域带来了新的能力。美国国防部与英国国防部联合召开了学术研讨会，探讨合成生物学的潜力如何应对目前能源和电力系统面临的挑战。本文总结了研讨会探讨的能源和电力领域面临的挑战，合成生物学在应对这些挑战中的作用，及未来20年需要开展哪些研究以实现两个领域交叉融合相互促进。
长期以来，人们已经认识到生物系统有能量转换和存储、自我修复以及适应各种外部环境的能力。这些能力在逐渐被发现的同时也开始用于开发生物燃料以替代化石燃料。然而，生物学可以解决能源和电力的挑战，远远不仅局限在传统能源的简单替代品。特别是，合成生物学领域的发展，提供了新的工具和技术，可以创建全新的、具有能源和电子系统转化潜质的结构和材料。
对于能源和电力系统，合成生物学的潜在应用包括：由细胞和生物材料驱动、从环境中获取能量的无人机（UAV）；具有高能量密度的新型火箭燃料；用于植入性医疗器械的新型生物相容性电池；在透明材料中实现能量的产生和储存；嵌入到纺织品、塑料和3D打印材料的功能化的自供电系统。
人们对利用合成生物学工具创造更小、更轻、更便宜、降低环境影响、确保安全可靠的能源技术具有极大的兴趣。目前的能源，生产和储存严重依赖于化石燃料。一部分电能是由煤炭或天然气燃烧产生的，运输部门几乎完全依赖汽油和其他石油衍生燃料储存的能量。近几年，全球都在致力于推动降低能源生产与储存领域对化石燃料使用。与其他发电形式相比，太阳能和风能具有极大的成本优势，在世界某些地区已经成功实施。然而，这些非化石燃料技术的间歇性需要以电能或其他化学形式实现能量的储存。因此，在交通领域，电动或燃料电池汽车使用以电池或氢的形式储存起来的电能，也需要考虑同样的问题。为了实现电池和燃料电池技术，其性能、成本和可持续性必须得到提高从而能够广泛实施。合成生物学非常适合解决三个高水平的能源和电力挑战：（1）电动性和系统网络独立性；（2）回收和可持续性；（3）精密材料合成。
能源和电力研究面临的挑战
新型化学工艺和新型材料是实现可持续、低成本存储技术所必需的，例如电池、燃料电池、液体电池等。其他的挑战包括开发依赖于比钴和镍更丰富地球元素的材料，改进H2、NH3和碱金属氧化物生产过程中化学转化的催化动力学，稳定具有可逆性离子和电子运输的电化学界面，识别在室温下能够作为离子快速导体的聚合物。
尽管新能源材料开发的广度和难度很大，但依然取得了显著进展，通过这些成果的转化提高了商业化设备的性能。过去10年间，锂离子电池的价格下降了10倍，由于材料和制造工艺的不断优化，预计价格还将继续下降。研讨会确认了跨越多个技术、最适合合成生物学的机遇与挑战。主要分为三个领域：电催化、电子存储和离子传输。
（1）合成生物学方法在关键电催化研究中的挑战包括：
? 开发对与氧还原和氧释放催化（ORR / OER）反应、CO2还原和N2还原具有更快动力学的催化剂
? 提高催化剂选择性，在不产生H2的情况下使CO2还原产生高价值产品
? 合成在低过电位下可以进行氧还原/释放的非贵金属催化剂
? 开发技术以更好地识别和理解催化反应的活性位点
? 设计和制造新型材料和结构，打破反应中间体与催化剂表面的结垢关系
（2）适用于合成生物学方法的核心电子存储研究的挑战包括：
? 电极电解质界面稳定性的设计
? 大容量电池电极的稳定，包括锂金属和氧化还原配体（例如硫）
? 发现“超越锂离子”的化学和设备概念，实现高能量密度和大规模的能源存储
（3）适合合成生物学方法的核心离子传输材料研究挑战包括：
? 防止热量损失的非易燃电解质或系统
? 能够用于储能装置，具有高阳离子迁移率的电解质（锂离子和钠离子）
? 在锂离子电池电极中稳定的固体陶瓷电解质
? 离子导电率与液体和固体陶瓷电解质相当的聚合物电解质
? 离子导电率类似全氟磺酸中质子的阴离子（OH-）导电膜
? 能够满足军用或其他高要求应用的，具有宽温度稳定性窗口的安全固体或液体电解质
合成生物学的最新进展和未来机遇
合成生物学旨在利用工程学原理改进现有生物系统或创造新生物系统。在早期阶段，合成生物学家研究某种特定基因，进行改造，并使该基因发挥所需功能。最近，DNA读取、编写和编辑能力的大幅提高，让人们能够在前所未有的水平上对生物系统信息流进行调控。例如DNA合成成本已经降到历史最低点，每个核苷酸合成成本不到10美分，并且还在继续下降。遗传设计和调控工具的最新进展越来越多地与自动化筛选技术相结合，从而创建敏捷而稳健的设计-构建-测试循环。
随着合成生物学工具包不断扩展，包含例如DNA、RNA、蛋白质和碳水化合物的生物元件，还有将其构建成发挥特定功能的连贯生物系统的必要设计规则。DNA调控元件，还包括通过表征、标准化和分类进行工程化的启动子、核糖体结合位点和终止子。此外，刚刚起步的DNA、RNA和蛋白质结构预测工具已经开始改善生物系统设计。无细胞系统、高通量、自动化的细胞工程学平台，作为合成生物学整体系统和元件的原型和检测方法也已经得以实现。综合起来，合成生物学工具包通过向传统生物系统中引入非典型氨基酸和核苷酸，使得人们能够调控生物化学转化，创造新型细胞设备和治疗方法，拓展生物化学领域。
研讨会审查了当前和未来可能影响能源/电力研究的合成生物学能力，主要包括三个方向：（1）用于催化的合成生物学；（2）材料的生物合成；（3）生物/非生物界面的微生物。
合成生物学研究的挑战和建议发展方向
为了实现合成生物学在前沿材料、能源和电力应用的潜能，未来20年需要克服几个关键的概念和技术障碍。
最重要的是，需要建立合成生物学和能源研究领域之间的跨学科合作。目前，每个领域都缺乏对其他领域需求、兴趣和能力的认识，特别是定量的性能指标。这会导致误解并错失机会。即使是研讨会参与者使用的语言也存在明显的差异。例如，催化、协同因子和稳健性等常用术语对物理和生命科学研究人员来说具有完全不同的含义。由于两个领域的词汇含义不同并且互动有限，需要新的机制来帮助建立跨学科的联系并促进合作。随着合作越来越普遍以及研究人员数量的增加，将有助于开发交叉区域的交流语言。研讨会提出了重要的技术挑战：
? 计算框架以及用于建模和预测生物材料设计的理论
? 在生物和生物衍生系统中表征界面和电荷转移的分析工具
? 制造适当规模生物衍生能源材料的生物工艺工程化策略
? 分离细胞和工程化目标的策略
? 分散式的按需合成工艺
? 能够从环境中获取能量的长期生物系统
“展望未来，使用合成生物学工具实现细胞机器新型催化系统的工程化将会打开发现新型化学活性位点或结合环境的大门。”
具体的合成生物学研究挑战和建议的发展方向是围绕以下四个主题组织的：（1）受生物启发的催化剂，（2）生物衍生的储能材料，（3）用于制造新型生物材料/聚合物的生物工艺工程学框架，以及（4）生物/非生物界面。
合成生物学在能源和电力领域的应用，特别是存储和离子运输领域具有重大潜能。为了实现这一潜能，需要进行以下基础研究：（1）促进合作并开发合成生物学与能源领域的共同语言；（2）提出新型综合理论从而建模并预测催化剂、材料和界面的性能；（3）支持高通量实验工具和分析以加速设计-构建-测试循环；（4）促进新型材料的制造；（5）制定用于大规模生物制造的战略，以及适合分散式、按需合成，包括无单元系统的战略。
可持续和高效能源平台的开发是目前的重大挑战，需要创造力和跨学科方法，包括化学、工程学和材料科学。使用已知方法简单地改良现有技术已经不足以满足未来的能源需求。因此，需要新型概念、设计工具和技术来开发用于捕捉、转化和存储能量的新方式。合成生物学和能源/电力交叉研究领域，或将开发出强大的解决方案以满足不断变化的能源需求，支持未来能源的可持续发展。
本文由中国科学院上海生命科学信息中心 战略情报团队供稿
本文转载自公众号“ 上海市生物工程学会”