合成生物学(synthetic biology)是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。合成生物学(Synthetic Biology)是一门结合了生命科学观察分析方法和工程学设计思维的学科，使人类通过工程方法设计、改造甚至从头合成有特定功能的生物系统。

　　生物燃料是一种由可再生生物材料生产的燃料，最早的生物燃料是木材和木炭。在原始社会时期，人们简单的燃烧木材用于取暖和烹饪。随着时间的推移，“泽中有火，上火下泽”，公元前4世纪中国人发现了石油，主要用于医药、润滑剂和灯的燃料。19世纪后期，随着地下勘探技术的进步和汽车工业的蓬勃发展，对石油的大量需求促使了石油工业突飞猛进，石油逐渐代替其他能源成为世界范围内的主流燃料。然而，随着全球化的发展和“双碳”战略的提出，传统石油燃料由于对环境影响、温室气体的排放以及化石燃料的枯竭等问题，人们开始转向回到可再生的生物燃料以寻求解决方法。

　　下一代测序与质谱技术的发展推进了生命科学领域中系统生物学方法的应用，进一步深化了对基因组层面上生物体“基因-RNA-蛋白-代谢-表型”变化规律与调控机制的研究。在系统生物学的基础上，科学家引入工程学思想策略，并将其融合到现代生物学、系统科学及合成科学中，使生物技术系统化和标准化，形成了以理性设计为指导，重组或从头合成新的有特定功能的“人造生命”为目标的合成生物学。合成生物学的发展使人们可以设计和构建细胞工厂，大量生产特定的化学物，这为人们产业化生产生物燃料提供了可能。

　　“第一代生物燃料”主要是指以农作物为主要原料转化得到的生物燃料。通过发酵玉米小麦这些粮食作物中的淀粉生产生物乙醇，生物乙醇是汽油的替代品，在一些新能源汽车中可以完全替代汽油。传统的发酵技术无法直接将淀粉发酵成乙醇，但是自然界中有成千上万的微生物提供各种各样的发酵变化，其中一些微生物能够从糖和淀粉中产生乙醇，科学家通过设计劫持这些微生物的代谢途径和通路，构建出能够利用淀粉大量生产乙醇的理想生物工厂。这些经过了合成生物学改造了的发酵酵母通常是发酵效率更高，并且能发酵更复杂的植物原料。许多国际生物技术公司研发了一系列优化的酵母菌株，通过改造酵母基因，增强其生产乙醇的能力，同时还能提高酵母的生长速度和生产效率。

　　目前第一代生物燃料已经在世界范围内商业化大量生产，每年生产近500亿升。然而第一代生物燃料因为以粮食作物为原料，存在土地利用以及与粮食作物竞争的问题，人们对原料的来源和经济可行性存在担忧。同时由于耕犁、运输、施肥等原料生产步骤都会排放大量的二氧化碳，第一代生物燃料的减排也让人怀疑。因此，为了进一步减少温室气体排放，人们在合成生物学的发展以及可再生技术的进步上寻找更有效的替代品。

　　基于木质纤维素的生物燃料发酵技术具有生产新型生物燃料的潜力，即“第二代生物燃料”。通过非粮食来源的原料如各类农业废弃物，尤其木质纤维素类发酵转化生成清洁的可再生能源，不仅解决了能源危机和环境污染，而且有效规避了以淀粉为底物的第一代生物燃料所带有的“与人争粮、与粮争地”问题。由于原料来自各类非粮食植物，生产过程中的二氧化碳排放净浓度相对降低了90%，有望达到真正碳中和甚至碳负。

　　以作物秸秆为代表的纤维素类基质原料结构复杂，较难被微生物直接发酵利用，科学家需要通过物理、化学预处理结合酶解方法将纤维素分解为微生物可利用的单糖。但该过程中产生的副产物对发酵微生物有明显的抑制作用，严重影响了微生物的生长速度和发酵效率。因此科学家利用发酵微生物自身具有的转化或代谢抑制物的能力，对微生物进行改造，构建具有高抑制物耐受性能的工程菌株，这些通过合成生物学理性改造后的微生物工厂可以高效的利用水解液进行发酵得到生物质燃料。

　　异丁醇作为一种支链四碳醇，与传统的生物燃料乙醇及正丁醇相比，具有能量密度高、辛烷值高、易混合、蒸汽压低、吸湿性低、腐蚀性小等优点，可直接用于现有的发动机及其他燃油利用设备，也可以直接利用现有的汽油输送管道及分销渠道，被认为是替代汽油的极具发展潜力的新一代生物燃料。

　　在此基础上，研究人员利用合成生物学手段和应用基因工程等组合技术改造出可以生产其他增值化学品的工程菌株，通过设计劫持了大肠杆菌的分支氨基酸合成途径，在缬氨酸合成的最后一步，α-酮异戊酸经转氨生成缬氨酸的反应步骤中插入外源α-酮酸脱羧酶，催化α-酮异戊酸发生脱羧反应生成异丁醛，随后经一步还原反应转化，在微生物工厂中实现了异丁醇的合成。

　　当前异丁醇的全球规模已突破10亿美元，并以6.4%的复合年均增长率持续增长，利用细胞工厂进行生物炼制得到异丁醇，反应条件温和、原料可再生，有助于异丁醇生物燃料产业的发展，满足市场需要，减少碳排放，进而助力“碳达峰、碳中和”。在运动单胞菌（Z. mobilis）中，通过引入来自乳酸乳球菌的酮酸脱羧酶基因kdcA，同时过表达来自枯草芽孢杆菌的乙酰乳酸合成酶基因Bsals和来自Z. mobilis自身的还原异构酶基因ilvC与二羟基酸脱水酶基因ilvD，在Z. mobilis中实现了由零到一的突破，且异丁醇产量达到4 g/L。为了加快工业化进程，研究人员针对异丁醇生物合成路径中的五个作用基因Bsals、ilvC、ilvD、kdcA、adhA，分别采用相应的静态改造策略，包括替换高催化活性的作用基因、增加基因拷贝数、使用不同强度的启动子或RBS、辅因子平衡策略等，强化异丁醇生物合成路径，提高异丁醇产量至6.89 g，实现了细胞工厂对异丁醇生物燃料的高效生产。

　　但是迄今为止，许多农业废弃物如秸秆和木屑分离出糖原料的潜力尚未完全实现，第二代生物燃料的产量和生产强度仍普遍偏低，亟待进行精细优化，需要克服许多技术障碍。虽然第二代生物燃料的生产还没实现商业化，但是在各国研究人员的努力下已经实现了很多从零到一的突破，当产业化应用时，第二代生物燃料由于利用农业和林业生产废料作为原料，其经济效益将会超过汽油与柴油等传统燃料，并且由于显著减少了温室气体排放，它将成为替代化石能源极具发展潜力的可再生低碳能源。