液体生物燃料作为可再生能源的重要组成部分，在降低化石能源依赖和减少温室气体排放方面具有战略意义。近日，青岛能源所与北京科技大学合作，在生物技术领域高影响期刊Biotechnology Advances上发表题为“Synthetic biology development of microbial strains for liquid biofuel production”的综述文章。该综述系统梳理了合成生物学在液体生物燃料生产菌株开发中的最新成果，从底盘菌株选择、合成生物学工具开发、代谢动态调控等多个维度进行了深入总结，并通过典型生物燃料的菌株构建实例，展示了合成生物学在生物燃料领域的巨大应用潜力。

在底盘菌株选择方面，以大肠杆菌和酿酒酵母为代表的模式生物因遗传操作工具成熟而长期作为首选平台，但它们在木质纤维素利用和产物耐受性方面存在天然不足。相比之下，从自然环境中分离的非模式微生物往往具备高效降解复杂底物或耐受高浓度产物的独特优势。近年来，随着合成生物学工具的持续突破，部分非模式微生物的基因操作能力已接近模式生物水平，解脂耶氏酵母、假单胞菌、热纤梭菌等逐渐成为新型工业底盘，为不同原料和工艺路线的生物燃料生产提供了更优选择。

合成生物学技术的快速迭代是推动菌株开发效率提升的核心动力。以CRISPR/Cas为代表的基因编辑技术已在多种微生物中实现高效基因修饰，标准化生物元件库使代谢途径的精细调控成为可能，而自动化高通量平台的应用则大幅加速了“设计-建造-测试-学习”的迭代循环。近年来，机器学习模型在蛋白质结构预测和代谢通量分析中的应用，为酶工程改造和代谢瓶颈识别提供了全新思路，已在多个菌株开发项目中展现出强大潜力。

在代谢调控策略方面，研究人员已开发了多种动态调控手段来破解细胞生长与产物合成之间的矛盾。通过小分子、光照、温度或pH变化等物理化学信号，可以实现细胞从“生长模式”向“生产模式”的智能切换。其中，光遗传调控可实现无化学添加的精准控制，而利用发酵过程中自然发生的环境变化作为触发信号，则能够实现低成本的自动反馈调控，在生物燃料生产工艺中展现出良好应用前景。

综述还总结了多类液体生物燃料的菌株工程研究进展。对于乙醇这一最为成熟的生物燃料，研究重点包括基于酿酒酵母、运动发酵单胞菌、热纤梭菌等的木质纤维素基第二代乙醇，以及近期迅速发展的一碳气体发酵产生物乙醇技术。同时，新的合成生物学工具在提升生物乙醇菌株开发效率方面发挥了越来越重要的作用。对于短链醇、萜烯类和脂肪酸衍生物等高能燃料，研究人员通过多基因协同调控和代谢网络重构，在梭菌、酵母等多种底盘中有望实现高效合成，展示了合成生物学在定制燃料分子方面的强大能力。

尽管合成生物学为生物燃料带来了前所未有的机遇，但该领域仍面临诸多挑战。多数非模式底盘缺乏高效基因操作工具，大部分生物燃料的产量和得率距理论最大值仍有较大差距，产物分离纯化成本也居高不下。文章强调，未来应重点发展木质纤维素和二氧化碳等低成本原料的转化技术，深化自动化与人工智能在菌株开发中的应用，并针对具体产品和菌株设计定制化的下游工艺。全球范围内的政策支持与资金投入将是推动生物燃料从实验室走向工厂、实现低碳循环经济的关键驱动力。

图1 各代生物燃料的原料、生产菌株和产品，以及当前的优势与劣势

该综述由青岛能源所先进生物炼制与合成研究组冯银刚研究员与北京科技大学宣劲松副教授共同指导完成，北京科技大学联合培养硕士研究生李坤为第一作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、青岛能源所和北京科技大学相关研究项目的支持。（文/图 冯银刚）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2026.108891

Kun Li, Jinsong Xuan*, Yingang Feng*. Synthetic biology development of microbial strains for liquid biofuel production. Biotechnol. Adv. 2026, 108891.