美国工程生物学研究联盟《气候与可持续发展路线图》中期报告中国科学院上海营养与健康研究所上海生命科学信息中心上海市生物工程学会2022年1月气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）美国工程生物学研究联盟《气候与可持续发展路线图》中期报告编者按：2021年11月，美国工程生物学研究联盟（EBRC）发布《气候与可持续发展路线图》（Climate&SustainabilityRoadmap）中期报告。该路线图旨在探讨工程生物学的创新研究可以在哪些方面帮助应对气候变化的挑战并实现可持续发展的目标，其中期报告主要分为减缓与适应气候变化、环境与可持续发展两个部分，每部分都探讨了相应的技术主题和在这些技术主题下，工程生物学有助于减缓气候危机的研究和应用方向，以实现可持续发展。1.减缓和适应气候变化全球面临的气候危机需要减碳，并在多个领域实现转型，以消除和防止温室气体的进一步排放。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的分析表明，CO2去除（CDR），即从大气中去除CO2并将其封存，将是把全球气候变暖控制在1.5℃以下并在2050年实现美国和全球减排目标的关键。在减缓和适应气候变化方面，可以利用捕获、转化等工程生物学方法和消除温室气体的技术。减少排放并应对特定应用领域的气候挑战，主要包括可持续的粮食和农业系统、能源生产和运输、用于化学品和材料生产的工业生物工艺；缓解气候变化进而改善生物多样性和恢复生态系统等。与现有技术相比，该报告介绍的很多研究路径需要更长时间的部署，而且需要研究、投资以及跨学科的合作。因此，这些研究可以作为一套气候的广泛解决方案进行开发，并在对不同地理、文化和经济体产生有效影响力的背景下进行。1.1技术主题：实现温室气体的大规模生物封存生物圈是地球上最大的碳汇之一，但由于气候变化，生物圈捕获碳的能力正在降低。工程生物学可以恢复甚至提高生物圈的碳吸收量。实现温室气体的大规模生物封存需要重点关注两个研究目标：1）如何通过工程化的生物体实现对温室气体进行大规模捕获、储存和利用；2）如何利用工程生物学增强自然系统进行碳捕获的能力，进而缓解气候变暖。在第一个目标下，该路线图希望探索工程学改造光合生物的几个研究里程碑，气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）使其能够更高效吸收CO2。例如，短期里程碑包括工程学改造固碳关键组分，提高植物中CO2吸收效率，将CO2浓缩机制（CCM）从蓝藻和藻类转移到植物和模式生物中。路线图还介绍了利用生物进行温室气体储存和利用的里程碑，包括对生物体进行改造使其能够将CO2和甲烷转化为化合物，用于长期储存（如碳酸钙或生物塑料等产品）。此外，路线图还重点关注了扩大生物封存技术的路径，例如，通过解决改进气体发酵技术的挑战，长期目标是使生物体能够从浓缩气流和环境空气中捕获不同类型的温室气体。在第二个目标下，路线图重点关注利用工程生物学强化自然系统，以增加碳吸收并缓解气候变暖。陆地和海洋共同负责吸收全球约50%的CO2年排放量，但未来几年，该碳汇效率将减少。路线图通过生物工程学解决土壤固碳问题，并将在多个领域获得里程碑进展，例如，对植物、作物进行改造使其根部储存更多的碳，工程化的土壤微生物组能增加碳封存，改造生物体以减缓湿地退化，因为湿地是巨大的自然碳汇。提高海洋碳能力的里程碑包括设计和工程化改造生物体（例如微生物、浮游植物、藻类）和系统（如病毒分流），从而在海洋表面以及深海捕获和封存碳，达到缓解海洋酸化的目的。此外，还包括缓解气候变暖的研究途径，例如开发冰核微生物，将这些微生物放置在陆地上，用于维持积雪，在高山和极地环境中创造更多反射表面，以保护永久冻土并防止碳释放。与其他CO2去除技术一样，基于生物的碳捕获不能替代大幅减排，必须与其他途径一起开发。此外，利用工程生物学在生态系统中进行碳捕获还面临着必须解决的独特的环境影响，包括工程生物体之间的生物污染（biocontainment）以及工程生物体与非工程生物体、本地物种之间的潜在竞争等。1.2技术主题：在应用领域应对气候变化（1）食物和农业农业领域是人为甲烷排放的最大来源。作为应对气候变化途径的一部分，减少这种温室气体排放已成为当务之急。当前的农业实践还会产生其他温室气体，例如合成肥料时产生的N2O将导致生态系统流失和富营养化。该路线图制定的工程生物学研究目标，主要用于实现温室气体低排放量的粮食和作物生产。哈伯（Haber）过程是现代农业的基石。在此过程中，空气中的无机氮与氢（主要来自天然气）结合生成氨，氨可以用来制造肥料。然而，哈伯过程属于能气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）源密集型，依赖天然气并产生大量N2O，这是一种长期存在的温室气体，导致全球变暖的潜力是CO2的300倍。路线图侧重更可持续、对水需求更低生物基肥料作为替代品的开发，使边际土地（marginalland，即灌溉条件差或养分不足的土地）能够用于种植植物，并防止因水溶性硝酸盐流失导致的生态破坏。重要研究目标之一是开发微生物和营养固定途径，并将共生细菌（如根瘤菌）整合到非豆科植物中，将作物改造成能够更加有效吸收氮、磷和其他对作物生长至关重要的养分。另一个目标是恢复土壤健康，促进边际土地上的作物生长。实现目标的里程碑包括改造植物根系，在土壤中储存更多养分的同时改造土壤微生物群落，提高保水性和养分吸收。为了解决家畜的温室气体排放问题，特别是反刍动物的排放问题，路线图探讨了改造其肠道微生物组，抑制甲烷产生的方法（例如，通过饲料或接种，在反刍动物肠道中定植甲烷利用菌），以及改善动物饲料的营养状况，例如使微生物能够合成未加工饲料中天然存在的营养素（例如，必需氨基酸、微量营养素、维生素等）。替代肉类和蛋白质提供了另一种养活不断增长的全球人口、同时减少土地、水、化肥和杀虫剂消耗的方式。路线图探讨了如何使替代肉类和蛋白质在口味、价格、安全性和可及性方面能够与传统肉类和蛋白质相比更具竞争力，包括推进蛋白质工程，改善细胞肉类的质地和营养价值；开发微生物和发酵过程，为植物来源的蛋白质增加复杂风味和质地；通过生物合成、开发新型低成本细胞农业原料，降低关键成分（如调味品、酶）的成本。长期里程碑可能是新的食品生产平台，包括具有校准营养含量和风味的新型蛋白质来源，通过完全循环过程生产的食品（例如能够将工业或农业副产品转变为食品的微生物）。工程生物学还可以帮助食品和农业领域更好适应不断变化的气候。密集和频繁的干旱和炎热使世界各地的农业产量大幅下降，南半球尤其严重。路线图重点关注工程生物学帮助作物抵抗生物和非生物胁迫的研究，包括通过工程化改造叶片和根系，改善作物对干旱和洪水的耐受度；设计土壤微生物群落以改善植物健康，提高植物在压力环境下（如高温、高盐度）的生存能力，在不使用对环境有害的杀虫剂的情况下提高作物对病原体的抵抗力。气候变化下弹性农业的其他里程碑还包括开发藻类和海带养殖、推进城市和室内养殖等。气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）气候变化也给粮食运输带来压力，同时增加了粮食变质的可能性，威胁到全球粮食供应链。路线图提出减少食品腐败并确保食品安全的研究目标。里程碑包括开发食品表面安全剂，延长产品的保质期，使食品供应商能够检测和控制产品成熟的时机，创建生物传感器系统检测病原体或早期腐败迹象等。（2）运输和能源生产当前，几乎3/4的人为温室气体排放来自能源生产。路线图重点关注两个目标，减少这些排放：①开发工程生物学方法减少航空和航运排放；②使生物能够补充可再生能源。第一个研究目标是减少交通运输的排放。航空、海运和重型运输占全球7.4%的排放量，但由于目前的技术无法提供其所需的能量密度，因此很难脱碳。生物燃料可能会减少大量温室气体排放，在某些情况下，生物燃料可作为“降排量”燃料，只需对现有发动机进行较少改动。路线图介绍了推动前沿技术，使生物燃料更具可持续性、可扩展性和经济性所需的研究。短期里程碑包括实现原料作物在边际土地的生长，提高原料的碳利用率（例如，更有效降解木质纤维素）。中期里程碑重点关注改善原料发酵，实现可持续生物燃料规模化的工业生产，包括减少发酵过程中的加工时间、改造生物使其利用所有可用的碳源、为发酵过程的每个阶段选择并优化生物体，以及改造极端微生物使其在特定工业规模上将生物质转化为碳氢化合物。长期里程碑主要致力于解决生物燃料在储存过程中的氧化和降解问题，提高生物燃料的润滑性和导电性。此外，路线图还基于生物的应用领域进行研发，例如，通过在船体表面涂覆环境友好的防污生物材料，减少船舶的水阻力，提高海运的运输效率。第二个研究目标聚焦生物系统储存和生产能源。主要致力于探索如何利用工程生物学提供可再生能源生产所需的稀土元素，推动生物来源的燃料电池和生物质能储存（例如，将可再生能源转化为生物质，释放多余电能）。最终的里程碑将重点关注降低现有能源基础设施的排放。（3）材料生产材料制造消耗大量能源，是全球温室气体排放的重要来源。未来的材料生产将重点关注通过具有可持续性的生物替代品取代排放密集型和环境破坏性的材料，包括水泥和其他建筑材料、塑料和纺织品等。气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）建筑材料制造业是能源和碳密集型行业：钢铁和水泥生产占全球温室气体排放量的10%，预计未来10年内还将继续增长。路线图着眼于利用工程生物学促进可持续建筑材料的生产，例如，低碳混凝土和高密度木材。实现这一目标的里程碑包括工程学改造生物水泥微生物，使其生长更快，产生更强（即承载能力更强）的生物水泥；工程化改造树木用于生产高密度的建筑用木材，扩大可持续生物墙体材料的生产（例如，来源于菌丝体的隔热材料）；开发可通过生物矿化修复建筑物的生物体，合成新型生物材料（例如工程蜘蛛丝），加强材料结构。另一个研究旨在推进化石燃料来源的塑料的生物替代解决方案。全球每年生产3.8亿吨塑料，几乎所有塑料都来自于化石燃料，其生产的每个阶段都会排放温室气体。为了解决这一问题，短期里程碑重点关注降低成本，提高生物来源包装材料的性能（例如，使用生物聚合物或菌丝体），并希望可以完全取代传统的塑料包装。中期里程碑包括使用不同材料制造可广泛应用（如电子产品）的生物塑料，开发负碳生物塑料制造工艺，生产不会成为环境废物的生物聚合体等。路线图还重点关注通过工程生物学减少纺织业的环境足迹。纺织业除了消耗大量水和生产化学废物外，还占全球温室气体排放量的3%-10%。里程碑计划旨在使生物纺织品和染料比现有产品更经济、更可持续、性能更好。短期到中期的里程碑包括合成各类生物聚合物用于制造纺织品；工程学改造微生物从而生产持久的生物颜料，以及扩大生物材料的生产规模，例如，工程化蜘蛛丝和菌丝体替代皮革制品。1.3技术主题：保护生态系统和生物多样性气候变化威胁着生态系统和生物多样性，是生物多样性丧失的关键驱动因素。与此同时，人们越来越清楚地认识到，完整的生态系统对人类福祉以及缓解和适应气候变化至关重要。路线图重点关注利用工程学生物的方法恢复和保护生物多样性和生态系统，研究目标还包括解决生物污染问题。极端气候事件（例如，野火、干旱、热浪和洪水）已经影响到社会发展，随着地球持续变暖，这些极端天气将变得更加频繁和激烈。路线图探讨了工程生物学方法来帮助缓解这些事件带来的风险。里程碑包括但不限于，在树木上种植工程学生物，增加保水性、改善碎石和灌木丛的生物循环，以防止野火；工程学改造土壤微生物群落，减少土壤侵蚀，制定缓解沿海附近藻华等措施。气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）路线图另一个研究目标侧重于利用工程生物学预防、限制或逆转生物多样性的丧失问题。短期和中期里程碑着眼于推进各种用于减缓生物多样性丧失的技术，例如，增强珊瑚的耐热性或低pH耐受性（例如，通过改造共生藻类），帮助沿海植被（如红树林）更好适应海平面上升，拓展DNA测序加速对现有生物多样性进行分类，使用合成替代品逐渐取代野生来源和不可持续的自然产品（例如合成棕榈油、象牙、角鲨烯）等。长期里程碑包括恢复生态系统平衡并扭转生物多样性丧失，例如，对生态系统的重新整合和“复兴”因气候变化和人类活动而灭绝的物种。路线图介绍了减少因气候变化而加剧病原体和入侵物种传播的研究，里程碑包括发展限制疾病传播媒介的基因驱动，工程学改造蜜蜂和其他传粉者的微生物组，使它们免受病原体和杀虫剂的侵害。工程学改造土壤微生物群落以抵抗入侵植物的渗入，放置监测病原体和入侵物种传播的前沿传感器网络。另外，生物防护对于防止负面环境影响至关重要。建立强有力的生物防护措施的里程碑包括开发监测并检测生物释放后的防护能力，设计故障保护系统，确保工程生物无法在预期环境之外生存；确定基因驱动的生态影响，例如，基因驱动可能对非目标种群产生的任何不利影响等。2.环境与可持续性环境与可持续性方面的重点是推进工程生物学实现长期可持续发展，造福人类和地球。该报告提出一个问题，如果气候危机得到解决，将会存在何种可持续性挑战？工程生物学将如何帮助应对这些挑战？从广义上讲，本章节研究目标侧重支持生物工程系统应用程序开发相关技术和工具，通过减少废物、环境修复和环境监测来保护环境。2.1技术主题：促进可持续的工业和化学工艺现代化的工业和化学工艺对于向更可持续、对人体健康和环境损害更小的经济转型至关重要。需要重点关注工程生物学在不久的将来可能产生重大影响的3个领域：化学合成、塑料废物、采矿业。化学生产支撑着包括纺织、电子和化妆品在内的多个行业，但也因此有大量有害废物的排放。联合国正在呼吁采取紧急行动，尽量减少化学品对人类健康和气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）环境的影响。路线图为工程生物学提供了研究途径，用于减少化工生产对环境的影响。里程碑包括使生物体在工业水平生产化学前体；延长生物催化剂的保质期，使其更便宜、更耐用；在生产过程进行酶的鉴定和试验，从而降解有毒化学物质。其他里程碑主要解决生物技术行业内的化学废弃物问题，例如，从产生许多有毒化学物质的DNA化学合成转变为酶促DNA合成。塑料污染对多个生态系统产生了重大影响，从太平洋垃圾区到南极微型塑料。由于具有长烃聚合物链，塑料有很高的耐腐蚀性。工程生物学将从两个方面提供解决塑料废物的方法：①开发新型生物塑料，②创造新工艺降解和更新塑料废物。前者涵盖气候缓解和适应方面的材料生产的内容；几乎所有塑料生产都来自化石燃料，本节主要针对后者。研究里程碑包括开发能够高效降解常见塑料的微生物实现混合废塑料的分解（例如，多层塑料，如地毯或鞋子中的塑料）；工程学改造生物体用于降解不同生态位（如土壤、海底）的塑料；开发生物和生物工艺用以将废塑料转化为高价值产品。从采矿中提取的金属常用于消费电子产品、风力涡轮机、太阳能电池、电动汽车面板等众多领域。与此同时，每年都有价值数十亿美元的贵金属由于没有回收而消失。为了应对这些挑战，路线图致力于利用生物技术从金属矿石和废料中提取和回收金属。中期里程碑是开发一系列生物系统，积累不同类型的金属，并使生物系统可以从电子废物中提取贵金属。长期里程碑包括工程学改造生物系统，实现现场检测和降解剧毒污染物，例如，清理采矿副产品甚至核废料。2.2技术主题：减轻环境污染上一个技术主题探讨了减少工业过程产生的废物的方法。这里重点关注减轻已经排放到环境中的污染物的方法。路线图研究目标旨在改进生物传感器检测污染物的方法。与传统传感器相比，生物传感器更便宜、更便携，并能检测范围更广的污染物。短期里程碑集中在开发能够在美国环境保护署（EPA）限值或低于EPA限值检测水污染物的生物传感器，可以提供快速读数并同时检测多种污染物。中期里程碑包括与数字基础设施兼容性更好的工程生物传感器（例如，电化学生物传感器），将生物传感器整合到传感器网络中，生产对污垢和降解稳定性更强的生物传感器。此外，许多微生物能够感知环境污染物。相关里程碑主要探讨如何利用这种能力进行污染检测的气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）同时解决生物污染问题。路线图还将侧重推动生物修复的最新技术。里程碑将包括提高当前生物修复的成本效益，识别用于清理重金属和石油泄漏的新酶和微生物，工程化改造大型藻类，使其在海洋环境中结合毒素，让生物体能够抵抗毒素的积累（例如工程化生物体具有较强的吸收系统）。生物修复也有助于确保饮用水安全，特别是在易受洪水和暴雨径流影响的地区。里程碑介绍了开发可以捕获粪便中大肠菌群的生物系统，降解农业和水产养殖的营养流失，减少抗生素和杀虫剂污染，跟踪废水系统中废物的传播。其他里程碑还包括设计生物过滤器，用于淡化水和去除污染物。3.社会维度和政策杠杆起草路线图时，需要考虑如何采用工程生物学解决世界性问题时，新型技术也可能导致新问题或扩大现有社会与政治的不平衡。为了实现正面结果最大化，需要协调技术、研究，以及社会、文化、政治和经济前景，因此需要协调科学和工程学之外的专业知识，包括艺术、人类学、社会和行为科学。本章节包括一些应用生物技术解决气候和可持续性问题时所面临的经济、社会和道德影响的挑战、知识缺口及潜在的解决方案。此外，也希望以更深入的形式继续进行这些讨论，例如阐明具体需要和建议的政策文件。这里介绍的主题是从现有研讨会上收集的，在继续制定路线图的过程中，这些主题的深度和广度都将进一步加深。这些主题分为3领域：研究企业、公共参与、管理指导。路线图中提出的所有研究路径都需要跨学科的知识共享与协作。为了应对路线图中提出的技术挑战，路线图提出建议，有助于工程生物学界发展具有一致性的相关学科的研究生态系统，消除合作障碍。这些改进将有助于评估拟议解决方案的有效性，对其可能产生的社会与环境影响进行评估。公众参与是成功吸收新兴生物技术的重要方面。应该努力开发可持续生物技术，既不会对环境造成进一步损害，又可以使这些技术及其衍生产品的价格合理且易于获得。路线图探讨了如何向公众清楚传达气候变化和可持续发展背景下生物技术的优缺点，以及如何在干预决策中纳入当地实际情况的考量和社区利益相关者。气候与可持续发展路线图合成生物学快讯2022年1月（总期第119期）最终，路线图还将评估有助于加速工程生物学创新的政策杠杆和监管框架，从而对抗气候变化并推动可持续发展。路线图介绍了一些问题的潜在解决方案，例如，进行经济创新加速研发和应用（例如碳价上升、新型基金机构）；将生物经济与循环经济进行整合（例如，用于绿色城市规划的生物技术）；更新国际生物工程学监管框架，反映该领域目前的前沿技术，预测未来的进展。刘晓张学博编译自EBRC图1工程生物学在应对气候挑战方面的研究和应用方向