合成生物学家曾安平自1986年赴德读博以来，在生物工程技术领域研究了近36年。
曾安平拥有丰富的交叉学科背景、科研组织和国际学术经验。15岁考上江西工学院无机化工专业。毕业后进入北京石油化工学院攻读石油化工硕士学位。毕业后，本打算在化工领域继续深造，但中国石油化工的开拓者之一林正贤先生被他的硕士生导师推荐到德国学习生物技术。
博士毕业后，他在德国、澳大利亚、中国和美国的许多国家级研究所和大学从事生物工程的基础和工业应用研究。据曾安平介绍，2004年至2005年，他被德国三所大学聘为化学工程、动物细胞培养技术和系统生物学三个不同领域的专职教授。自2006年以来，他一直是汉堡理工大学生物过程和生物系统工程教授和研究所所长。他组织了横跨上述三个领域和合成生物学的跨学科研究，包括在德国和欧盟的多个大型科研合作项目。
他丰富的科研和国际学术经验为他带来了生物工程领域的跨学科领军人物，也为他带来了国内外诸多荣誉，包括中国国家杰青、美国医学与生物工程学院院士、德国工程院院士等。
曾安平是一个不怕“变道”、不怕挑战的人。因此，当西湖大学的施校长邀请他加入西湖大学时，他毅然从欧洲“变道”到中国杭州。现任西湖大学合成生物学与生物工程讲座教授，校级合成生物学与生物智能中心创始主任。
西湖大学合成生物学与生物制造中心
西湖大学合成生物学与生物智能中心是以理工学院为依托，由生命学院和理学院共建，曾安平教授领衔的校级中心。目标是结合生命科学、生物工程、材料科学和人工智能等。，开展交叉学科合成和工程生物学基础研究，致力于发展前沿的合成生物学方法、具有重大影响力的生物产品和独创的高效生物智能制造工艺。研究方向集中在新一代生物制药、生物材料，以及基于二氧化碳和太阳能的大规模绿色生物制造核心技术[1]。
“与时俱进”与“随心所欲”的研究方向
曾安平主要研究方向为工业生物技术、动物细胞培养技术、蛋白质工程、系统代谢和合成生物学。但近年来，他的研究重点是电驱动生物合成技术、CO等一碳化合物的生物利用、具有催化性能的智能蛋白质生物材料。
电驱动生物合成技术的研究符合全球关注绿色能源的发展趋势，也是二氧化碳生物利用的重要途径。二氧化碳的捕获和利用是碳中和以及全球气候变化的关键。二氧化碳是取之不尽的碳源，但在生物学意义上，它是一种“无能”的废物。因此，二氧化碳的生物利用与电能驱动的生物合成技术是完美的匹配。
正如曾安平所说，虽然合成生物技术可以合成很多物质，但真正产业化的并不多。除了工程问题，能源成本和廉价原材料的可持续供应是两大制约因素。通过电驱动CO的生物利用来解决这两个问题，是实现合成生物技术大规模应用的核心技术之一，也是曾安平团队的工作重点。
目前，他已经开发了从一碳化合物到1，3-丙二醇的新的生物合成途径，用于CO生物利用的一体化电极和相应的电生物反应器。与其他电生物反应器不同，曾安平团队的电生物反应器集成了两个电极，可以直接插入常规生物反应器，同时满足生物合成和离子浓度平衡的功能。也可用于原位电解水，控制生物反应过程的关键参数。
▲图è应用电生物合成技术利用二氧化碳和其他碳化合物的基础和工程研究。
曾安平的研究既“及时”又“随意”，跟着兴趣走。例如，在研究二氧化碳捕获的可逆甘氨酸裂解系统时，他的团队意外地发现了一种具有催化特性的智能蛋白质生物材料。它是唯一具有相变功能的酶促球蛋白，能对温度、pH等环境因素做出响应。
相变生物学是生命科学中的一门新学科，催化软物质合成生物学是曾安平提出的合成生物学的一个新方向。“通过研究这种具有生物催化特性的软物质，可以开发出新的智能生物材料。让我们兴奋的是，这类软物质可以作为体内外生物合成的相变催化剂，取得意想不到的效果，这是一项从0到1的工作。但是我们已经很快把它推到了工业生产条件下的生物合成，这是一个从1到100的作品。”
▲图è催化软物质合成生物学。图中荧光显示的是相变催化蛋白。
将基础科学与工程相结合，实现合成生物学的潜力。
曾安平是将基因组学引入代谢分析和生化工程发展的先驱之一，特别是在基因组规模的代谢、基因调控网络的构建和结构分析方面。他与马洪武博士共同发表在《生物信息学与核酸研究》上的4篇相关论文成为该领域高被引论文，影响广泛。起初，他们提出了生物合成过程的蝴蝶结结构，后来被加州理工学院的系统控制器约翰·多伊尔发展成为所有制造过程和复杂网络系统，包括计算机、互联网、生物代谢和调控网络，都遵守的基本结构。
曾安平团队的研究思路也贯穿了从生物过程基础研究到利用酶、微生物、动物细胞开发大规模生物制造技术的一系列过程。他在这些领域的高水平期刊上发表了300多篇论文，包括《自然生物技术》、《自然通讯》、《基因组研究》、《ACS合成生物学》、《形而上学工程》、《生物技术和生物工程》。
▲图ߐ弓结构
从产业发展的历史来看，从基础科学到产业的形成，工程技术或原始工艺技术的突破非常重要。合成氨是科技结合的典范。这是由德国卡尔斯鲁厄理工学院的弗里茨·哈伯教授和巴斯夫公司的卡尔·博世博士领导的团队完成的。实际上，哈伯在研究其技术原理时所使用的条件和结果还远未工业化。之后，巴斯夫在高压化学工艺和设备方面取得突破，诞生了世界上第一个高温高压化学反应器，使这一工艺在1913年实现工业化，并导致了后来的农业革命。为此，他们分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖。“可以说，没有科学与工程的紧密结合，很难产生这样划时代的技术。”
有了之前经验的积累和德国重视工程的学术熏陶，曾安平也非常重视工艺流程的集成开发和产业化应用。多年来，该团队利用先进的生物技术和工艺，如基于结构的代谢工程、开放式培养生物炼制工艺、电辅助生物合成、生化反应和分离耦合，开发了一系列生物合成途径和产品，如二醇、氨基酸和有机酸。
以1，3-丙二醇的发展为例。进入21世纪以来，美国杜邦公司成功利用工程菌将玉米水解葡萄糖转化为1，3-丙二醇，杜邦公司在生物发酵生产1，3-丙二醇方面形成了高度垄断。此前，清华大学的陈震先生在接受盛辉合成生物公司采访时表示，1，3-丙二醇的大规模商业应用一直存在问题。第一，杜邦专利的垄断；第二，工业化过程中存在各种技术壁垒；第三，生产成本。陈震在德国汉堡工业大学攻读博士和博士后，导师是曾安平。
曾安平是世界上最早研究1，3-丙二醇生物合成的学者之一，在其基础理论和工程方面积累了30多年的经验。国内很多从事1，3-丙二醇生物合成的老师都曾在曾安平的实验室学习或工作过。近年来，曾安平团队在建设新型巴氏梭菌细胞工厂、生化反应工程、产品分离纯化和化学催化过程集成等方面取得了技术突破。
针对底物利用和生产成本问题，他们结合菌种代谢特点，开发了开放式无菌无空气发酵工艺和相应的多产品联产技术。这种联产技术可以利用生物过程中的所有原料和副产物，实现零排放。他介绍，一般来说，有机酸在分离过程中会与1，3-丙二醇反应生成酯化产物，导致目标产物损失，分离困难。他们计划加入价格低廉的醇，形成挥发性沸点低的有机酸酯，可以很好地与1，3-丙二醇分离，有机酸酯的价格甚至高于1，3-丙二醇，不仅将分离过程中麻烦的副产物变废为宝，还解决了分离过程中的技术难题。
利用电辅助生物合成技术，1，3-丙二醇和有机酸酯的产量大幅提高，发酵24h后1，3-丙二醇产量可达120g/L。这种联产1，3-丙二醇和有机酸酯的工业过程也是生物合成与化学转化相结合的例子。吨级规模放大，正在发展万吨级工业规模。
▲吨1，3-丙二醇和有机酸酯联产技术开发成功。
目前，团队还提出了通用的二醇生物合成路线，即葡萄糖-氨基酸-二醇，并成功演示了10种二醇的生物合成，其中6种支链二醇为首次生物合成，具有良好的产业化前景。
▲图è可以合成的二醇类型
利用电生物反应器实现碳循环，以实现生物过程的经济性和环保性。
实现生物过程的经济环保也是曾安平一直强调的理念。“从葡萄糖到乙二醇的过程中，几乎三分之一的原料都会变成二氧化碳。”因此，曾安平的团队将研究重点放在二氧化碳捕获和生物利用上。此外，该团队还使用甲酸、甲醇和甲醛作为原料来生产各种有机物质。曾安平团队还针对不同原料合成1，3-丙二醇代谢途径中涉及的酶元素，开发了全自动、智能化的蛋白质设计和检测平台。通过在线计算机的模拟计算，可以对酶元素进行设计和修改，也大大节省了时间和成本。
选择甲醇、甲酸、甲醛为原料有两个原因。首先，这些化合物可以由二氧化碳产生；其次，这类物质是化工生产过程中的中间产物。曾安平还透露，用这些原料生产1，3-丙二醇的过程中存在很多技术问题。以甲醛为例，它对细胞有毒有害。如何在生产过程中解决这些问题是关键。目前他的团队已经完成了概念验证(0~1)，但要做到1~100还有很长的路要走。除了1，3-丙二醇，曾安平的团队还在利用这些原料生产丙酮酸和丝氨酸等重要的生物合成单体。
2021年10月，中科院天津工业生物技术研究所马延河团队在人工合成淀粉方面取得突破，在国际上首次实现二氧化碳从头合成淀粉。2022年4月，电子科技大学材料与能源学院夏川研究组与中国科学院深圳先进技术研究院合成生物研究所于涛研究组、中国科学技术大学曾杰研究组合作，以二氧化碳和水为原料，电催化合成高纯度乙酸，再以乙酸和醋酸盐为碳源，通过生物发酵合成葡萄糖和脂肪酸等长碳链分子。这两大成就，或许让大众对“饮西北风”的理念产生了期待。
对此，曾安平表示，目前绝大多数的固碳方式和产品都只是处于“概念验证”阶段，这是从“0”到“1”的突破。其技术指标KPI远远不能满足大规模生物制造的需求。对于大宗化学品的工业生物制造，往往要求产品浓度在数百克/升，生产强度在2g/L/h以上，除个别工艺和产品外，基于CO自养的生物合成只能达到mg和g/L的浓度水平，生产强度在g/L/天以下。在可预见的未来，要实现从“0到1”到“1到100”的基于CO的大规模生物制造过程，需要工程技术和原有工艺技术的突破。
曾安平还透露，他们的目标是同时捕获空气体中含有的二氧化碳和氮气，通过甘氨酸进行CO到丙酮酸的生物合成，从而进一步实现用空气体生产氨基酸和蛋白质等高价值化合物。他形容这份工作是“二命二命三命三命”。
在采访的最后，曾安平还表示，近年来，虽然合成生物学在国内发展很快，但真正产业化的产品其实很少，很多还停留在概念上。研究内容与实际工业生产仍有较大差距，产业化过程中存在的核心科技问题尚无解决方案。另外，作为一个从事科研几十年的学长，他也和我们分享了一些自己的科研经验。他认为，前沿基础研究和工程研究的紧密结合，既是合成生物学实现其生物经济巨大潜力的必由之路，也是中国科技创新和推广急需倡导的研究范式。西湖大学为曾安平的科研思想提供了一个绝佳的舞台。
