中國科學院生物物理所非編碼核酸重點實驗室王江雲團隊，在大腸桿菌中實現具有金屬結合能力的非天然氨基酸基因編碼，成果發表於《應用化學》（Angewandte Chemie）。團隊致力於改造熒光蛋白為光合作用元件，賦予大腸桿菌產氫、固氮能力，構想其成為未來清潔生物工廠的催化劑與發動機，開創合成生物學新範式。
一、核心突破：非天然氨基酸擴展遺傳密碼
- 關鍵成果：在大腸桿菌細胞內實現含金屬結合非天然氨基酸的位點特異性編碼，突破天然20種氨基酸限制；
- 技術路徑：工程化tRNA/氨酰-tRNA合成酶對（正交翻譯系統），識別密碼子（如琥珀終止密碼子UAG），將非天然氨基酸精準嵌入目標蛋白特定位點；
- 發表載體：《應用化學》（Angewandte Chemie International Edition），國際化學頂級期刊，影響因子16+，證明研究國際前沿水平。
二、戰略願景：熒光蛋白→光合元件→生物工廠動力核心
- 熒光蛋白履新：發現水母熒光蛋白（GFP）能吸收/傳遞光能，經定向進化/理性設計賦予光合反應中心功能，將光能轉化為化學能（ATP/NADPH）；
- 大腸桿菌「綠色化」：表達工程化熒光蛋白，使大腸桿菌具備光能捕獲轉化能力，成為「光合大腸桿菌」，減少/替代有機碳源依賴；
- 雙核驅動：同步賦予產氫酶（光驅動產氫）與固氮酶（光驅動固氮合成氨基酸/蛋白質）雙功能模塊；
- 生物工廠發動機：光能驅動碳氮代謝重排，實現CO₂/N₂/H₂O → 高值化合物（燃料/材料/醫藥中間體）的綠色生物製造，徹底改變傳統發酵依賴糖料/高能耗/高污染模式。
三、科學意義與國際競爭優勢
- 首創性：國際首組利用熒光蛋白進行光合作用研究，避開同質化競爭（「研究無新意不發表」）；
- 跨學科融合：合成生物學+蛋白質工程+光物理化學+代謝工程+系統生物學，體現交叉創新深度；
- 底層技術鋪墊：非天然氨基酸編碼技術為後續多功能蛋白設計、生物正交反應、蛋白質結構動態探針奠定通用平台。
四、下一步工作計劃
- 在哺乳動物細胞/酵母/藻類等真核系統驗證非天然氨基酸編碼通用性，製備多樣化樣本庫；
- 模塊化構建產氫/固氮功能模塊，優化電子傳遞鏈效率，解決固氮酶對氧敏感難題（微需氧/厭氧微室設計）；
- 代謝流重新布線：敲除競爭性代謝途徑、強化前體供應、動態調控關鍵酶表達，實現碳氮通量精準分配；
- 生物反應器工程化放大：連續光照/氣體交換/產物原位分離耦合系統，驗證工藝經濟性指標（產率/產出率/生產力/穩定性）。
五、產業化前景與社會價值
- 綠色製造革命：利用太陽能驅動微生物工廠，大幅降低化石原料依賴、碳排放、三廢排放，響應「雙碳」戰略；
- 資源循環利用：耦合工業廢氣（CO₂/NOx）、廢水（氨氮/有機物）作為原料，實現廢棄物資源化；
- 分散式生產模式：微型光生物反應器可部署於社區/農場/極端環境，實現藥物/燃料/材料就地生產，增強供應鏈韌性；
- 新興產業培育：催生合成生物學設計自動化軟件、標準化生物部件庫、智能生物反應器、生物鑑定檢測服務等萬億級產業集群。
王江雲表示：「這是我們的夢想。」從單一蛋白改造到重塑微生物代謝網絡，從實驗室概念驗證到工業化示範，中國科學院正以合成生物學為矛，以國家戰略需求為盾，鍛造未來生物製造核心競爭力。這不僅是科學突破，更是對「什麼是生命製造極限」的持續拷問與超越。