三、系统生物能学：整合基因组、蛋白质组与代谢通量数据

系统生物能学代表了生物能研究从“解析孤立部件”到“理解动态系统”的范式革命。它通过整合基因组、蛋白质组和代谢通量等多维度数据，旨在构建细胞能量代谢的全景动态模型，从而预测细胞在生长、应激或疾病状态下能量网络的全局行为与调控逻辑。

为了快速把握这一领域的全貌，表3概括了其三大核心整合、主要挑战与前沿方向：

表3  走向系统生物能学的整合目标与前沿方向

1. 如何整合：构建细胞的“能量数字孪生”

整合并非简单叠加数据，而是一个迭代建模与验证的循环，其目标是建立一个逼近真实细胞能量状态的计算模型。其核心流程如下：

（1）网络重建：基于基因组数据，重建出该生物（如特定细胞）的代谢网络模型，包含所有可能的生化反应。

（2）约束整合：将蛋白质组数据（酶丰度）作为反应速率的约束条件纳入模型。例如，某种酶浓度极低，则它催化的反应最大速率就会受到限制。

（3）通量计算与验证：利用代谢组和同位素示踪数据，通过通量平衡分析等计算方法，推算出网络中成千上万个反应的实际通量分布（即“流量”），并与实测数据比对、反复校正模型。

（4）动态模拟与预测：最终模型可用于模拟扰动（如敲除基因、添加药物、改变营养）后，能量流（ATP产出、NADH/NADPH供应）和物质流（生物合成前体供应）将如何重定向，从而预测细胞生长、代谢产物分泌或耐药性产生。

2. 面临的重大挑战与前沿突破

系统生物能学在实践中面临从技术到理论的诸多难题，这也正是其前沿所在（表4）。

表4  系统生物能学面临的技术、理论难题

3. 应用与意义：连接您已构建的知识体系

系统生物能学不仅是技术前沿，更是对您此前探索的终极整合与应用：

统一微观机制与宏观表型：它能将您熟知的“ATP循环”“沃伯格效应”“胰岛素抵抗”等分子机制，置于整个细胞网络的背景下，定量计算这些扰动如何涟漪式地影响全局。

驱动精准医学：在癌症中，可模型化特定肿瘤的代谢弱点；在代谢疾病中，可预测个体对药物或饮食的差异反应，实现“细胞能量层面的精准医疗”。

赋能合成生物学：在设计微生物细胞工厂时，可理性预测如何改造代谢通路以最大化目标产物（如药物、生物燃料）的合成，同时优化能量供应。

总而言之，系统生物能学是生物能学发展的必然阶段。它试图用计算和系统的语言，回答一个根本问题：细胞如何像一个精密的智能电网，实时感知需求、调度资源，在复杂多变的环境中维持其能量稳态与生命活动。这标志着我们从认识生命的“零件手册”，向理解其“运行操作系统”迈进。

四、合成生物能：设计人工光合系统与工程化能量代谢

合成生物能学是一个雄心勃勃的前沿领域，它旨在超越数十亿年的自然演化路径，按照人类的设计蓝图，重新“编写”生命的能量捕获、转化与利用系统。根据当前最新研究，其实现路径主要分为两大分支（表5）：

表5  合成生物能学的实现路径

1. 两大路径的核心逻辑与前沿实践

（1）人工光合系统：赋予非光合生物“光合超能力”

传统太阳能电池只能产生电能，而人工光合系统的目标是将太阳能直接、稳定地转化为化学键能（如氢气、有机物），实现能量的存储。

非生物仿生系统：最具代表性的案例是福建物构所开发的全新人工光合细胞。它完全不依赖任何生命体，而是用钴/铁配合物分子模拟光合作用中光系统和电子传递链的功能，实现水的分解。其最大的突破在于以低驱动电压在中性条件下运行，太阳能转换效率达到3.1%，甚至超过了自然光合作用的理论极限，为绿色氢能的规模化生产开辟了全新路径。

半人工杂化系统：结合生物与非生物材料的优势。例如，将大肠杆菌生物被膜改造为导电薄膜，用以“焊接”两种无机半导体光催化剂，高效促进光生电子转移，实现了稳定、可规模化生产的全解水。

生物集成系统：直接赋予非光合生物光合固碳能力。例如，江南大学与中南林业科技大学的团队将源自光合细菌的核心蛋白“嫁接”到工业微生物大肠杆菌的细胞膜上，并为其配备人工合成的捕光色素，成功创造了一个“人工叶绿体”。更巧妙的是，他们还设计了类似“小程序”的能量适配器，可以动态分配光反应产生的能量，从而可编程地生产丙酮、苹果酸等不同化学品。

（2）工程化能量代谢：为“细胞工厂”重构能源发动机

这里的核心不再是获取太阳能，而是对现有细胞内的“能量经济系统”进行深度优化与再造，以满足高效生产的需求。

电-生物联合催化：这是一种将“电力”直接转化为“生物力”的策略。深圳先进院的于涛团队是该领域的引领者，他们设计了“电解+发酵”的串联系统：先用电催化将二氧化碳或工业副产物丙酮转化为高纯度异丙醇，再通过基因工程改造酿酒酵母，使其能够高效利用这些“电子载体”合成葡萄糖、脂肪酸乃至番茄红素等高值产品。这为解决化工副产物利用和清洁能源存储提供了革命性方案。

合成能量系统：在酵母细胞内，于涛团队还通过理性设计，像组装发动机一样组合磷酸戊糖循环、转氢循环等模块，构建了一个全新的合成能量系统。该系统能独立于糖酵解，高效产出生物合成所需的还原力，将自由脂肪酸的产率提升至当时酵母研究的最高水平（40%）。

辅因子调控：沈阳生态所的研究则从一个更基础的层面入手。他们发现，在利用海藻生产氢气和乙醇的过程中，单纯添加烟酸来扩充细胞内核心能量载体NAD的“总池容量”，能显著提升燃料转化效率。这表明，优化能量代谢的基础设施（辅因子池），与改造能量生产途径同样重要。

2. 未来方向与核心挑战

在系统生物能学的蓝图下，合成生物能学的未来将聚焦于更深度的整合与智能化设计：

（1）深度整合：将上述两类系统融合。例如，将高效率的人工光合系统产出的还原力，精确导入工程化改造的细胞工厂，构建“光能-电能-化学能”无缝衔接的全链条。

（2）智能化设计：借助更强大的计算模型和AI预测工具，对复杂能量代谢网络进行全局优化设计，降低试错成本。

（3）核心挑战：所有前沿研究都面临从实验室走向工业化应用的共同挑战，包括系统的长期稳定性、规模化生产的可行性、能量转换的经济性，以及对这些高度复杂合成系统的精确预测与控制。

总而言之，合成生物能学正在从“理解自然”迈向“设计生命能量法则”的新纪元。如果对上述某个具体案例的技术细节，或对某个挑战的解决方案有更深的兴趣，我们可以继续深入探讨。

五、极端环境下的生物能：深海、地下的生命能量策略

（未完待续）