自 1986 年前往德国攻读博士学位，合成生物学家曾安平老师已在生物工程技术领域研究了近 36 年。
曾安平具有丰富的跨学科背景、科研组织及国际学术经历。他 15 岁考入江西工学院（现南昌大学）学习无机化学工程专业，本科毕业后进入北京石油化工科学研究院就读石油化学工程硕士。硕士毕业后本打算继续在化学工程领域深造，但经由他的硕士导师，中国石油化工事业的开拓者之一林正仙先生推荐去德国改学生物技术。
博士毕业后，他在德国、澳大利亚、中国及美国多个国家研究院及大学从事生物工程基础及工业应用研究。据曾安平介绍，在 2004-2005 年间他前后获得过三所德国大学（生物）化工、动物细胞培养技术和系统生物学这三个不同领域终身正教授的聘任。2006 年起他就任汉堡工业大学生物过程及生物系统工程教授，研究所所长，组织了横跨上述三个领域及合成生物学的跨学科研究，包括多项全德及欧盟的大型科研合作项目。
丰富的科研及国际学术经历为生物工程领域带来了一位跨学科的领军人物，也为他带来了海内外的多项荣誉，包括中国国家（海外）杰青、美国医药和生物工程学院 Fellow（会士）、德国工程院院士等。
曾安平是个不惧“换道”和挑战的人。因此，在西湖大学施一公校长邀请他加入西湖大学时，他毅然决然地从欧洲“换道”到中国杭州。他现任西湖大学合成生物学和生物工程讲席教授，校级合成生物学与生物智造中心创始主任。
西湖大学合成生物学与生物智造中心
西湖大学合成生物学与生物智造中心是个以工学院为依托，联合生命学院和理学院共同建设的校级中心，由讲席教授曾安平领衔组建。目标是结合生命科学、生物工程、材料科学与人工智能等，开展交叉学科合成与工程生物学基础研究，致力于开发前沿合成生物学方法、具有重大影响的生物产品及原创的高效生物智造过程。研究方向聚焦于新一代生物药物、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]。
曾安平的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、系统代谢及合成生物学。不过，近年来，他的研究重点倾斜在电驱动生物合成技术、CO₂ 等一碳化合物生物利用以及具有催化性能的智能蛋白质生物材料等方向。
电驱动生物合成技术的研究顺应了全球注重绿色能源的发展趋势，同时也是二氧化碳生物利用的重要途径。二氧化碳捕捉及利用是碳中和及应对全球性气候变化的关键所在。二氧化碳是用之不尽的碳源，但从生物学意义来讲，它是“无能”的废物。因此，二氧化碳的生物利用与电能驱动生物合成技术是绝配。
正像曾安平所说，合成生物技术虽可合成许多物质，但真正落实到产业化的不多。除了工程技术问题，能量成本和廉价原材料的可持续供给是两大制约因素。通过电驱动 CO₂ 生物利用解决这两大问题是实现合成生物技术大规模应用的核心技术之一，也是曾安平团队重点关注的课题。
目前，他已开发出了从一碳化合物到 1,3-丙二醇的全新生物合成途径、 All-in-One 电极及相应电生物反应器用于 CO₂ 生物利用。不同于其他电生物反应器，曾安平团队的电生物反应器把两个电极集成，可直接插入常规生物反应器，同时满足生物合成和平衡离子浓度的作用，也可用于原位电解水和控制生物反应过程的关键参数。
▲图丨将电生物合成技术用于二氧化碳等一碳化合物利用的基础及工程研究（来源：受访者）
曾安平的研究既有“顺时而为”， 也常常“随意”而为，跟着兴趣走。例如，在研究二氧化碳捕捉的可逆甘氨酸裂解体系中，他的团队意外的发现了一种具有催化性能的智能蛋白质生物材料。它是目前发现的唯一具有相变功能的酶催化球蛋白，可响应环境因素如温度和 pH 等。（相变是指物质系统不同相之间的相互转变，例如，低温下，它是液态，室温下或温度较高时，反而会形成一种凝固状和胶状的物质。）
相变生物学是生命科学中的一个新兴学科， 而催化软物质（相变）合成生物学是曾安平提出的合成生物学新方向。 “通过研究这类具有生物催化性能的软物质，可以开发出新的智能生物材料。让我们兴奋的是，这类软物质可作为相变催化剂，用于体内体外生物合成，达到意想不到的效果，这是从 0 到 1 的工作。但我们已经快速把它推向工业生产条件下生物合成，这是从 1 到 100 的工作。”
▲图丨催化软物质（相变）合成生物学，图中荧光显示的是相变催化蛋白质（来源：受访者）
曾安平是将基因组学引入代谢分析及生化工程开发的开拓者之一，尤其在基因组规模代谢及基因调控网络的构建和结构分析上做了系统性创新工作。他和马红武博士合作发表在 Bioinformatics 和Nucleic Acids Research 上的 4 篇相关论文成为该领域高被引论文，具有广泛影响。他们首先提出了生物合成过程的蝴蝶结（Bow Tie）结构，这个结构后来被加州理工大学的系统控制学家 John Doyle 发展为所有制造过程及复杂网络系统包括计算机、互联网、生物代谢及调控网络遵守的基本结构。
曾安平团队的研究思想也贯穿了从生物过程基础研究到利用酶、微生物及动物细胞的大规模生物制造技术开发一系列过程。他在这些领域高水平刊物上发表论文 300 多篇，包括 Nature Biotechnology, Nature Communications, Genome Research,ACS Synthetic Biology, Metabolic Engineering, Biotechnology and Bioengineering。
▲图丨蝴蝶结（Bow Tie）结构（来源：受访者）
从工业发展的历史来看，从基础科学到产业的形成，工程技术的突破或原创的工艺技术至关重要。人工合成氨就是科学和技术结合的典范。它是由德国卡尔斯鲁厄理工学院的 Fritz Haber 教授和巴斯夫公司的 Karl Bosch 博士领导的团队合作完成的。其实，Haber 在其工艺原理的研究中所使用的条件和得到的结果，是远远无法工业化的。之后，巴斯夫公司在高压化工过程和设备方面取得了突破，催生了世界上第一座高温高压 (约 450°C, 300bar) 化学反应器，使得这一过程在 1913 年得以实现工业化，导致随之的农业革命，为此他们分别于 1918 年和 1931 年获得了诺贝尔化学奖。“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。”
在之前的经验积累和德国注重工程的学术熏陶下，曾安平也非常注重工艺过程集成开发、工业应用。多年来，该团队利用先进的生物技术与过程如基于结构的代谢工程、开放培养生物炼制过程、电辅助生物合成和生化反应及分离耦合等开发了一系列生物合成途径及产品如二元醇、氨基酸和有机酸等。
以 1,3-丙二醇的开发为例，自 21 世纪初期，美国杜邦公司成功利用工程菌将玉米水解的葡萄糖转化为 1,3-丙二醇后，杜邦在生物发酵法生产 1,3-丙二醇技术上就形成了高度垄断。此前，清华大学陈振老师在接受生辉 SynBio 采访时曾表示，1,3-丙二醇的大规模商业应用一直存在问题，其一是由于杜邦专利的垄断，其二，产业化过程也存在种种技术壁垒，其三是生产成本方面的问题。陈振曾在德国汉堡工业大学攻读博士和博士后，导师即为曾安平。
曾安平是国际上最早开展 1,3-丙二醇生物合成研究的学者之一，在其基础理论及工程化方面积累了三十多年的经验，国内许多从事 1,3-丙二醇生物合成研究的老师曾在曾安平的实验室学习或工作过。近年来，曾安平团队在构建新型巴氏梭菌细胞工厂、生化反应工程、产品分离精制及化学催化过程集成等方面实现了技术突破。
针对底物利用及生产成本问题，他们结合菌种代谢特点开发了开放式无灭菌、无通气的发酵过程及相应的多产品联产技术，这种联产技术可利用生物过程中所有的原料和副产物，达到零排放。他介绍道，通常，有机酸在分离过程中会与 1,3-丙二醇反应形成酯化物，导致目标产品损失，分离困难。他们将计就计，加入低价醇，使有机酸形成挥发沸点很低的有机酸酯，后者可与 1,3-丙二醇很好地分离，而且有机酸酯价格甚至比 1,3-丙二醇还高，既使分离过程中的麻烦副产物变废为宝，也解决了分离过程中的技术难题。
使用电辅助生物合成，1,3-丙二醇及有机酸酯的产量都获得大幅度的提高，1,3-丙二醇的产量在 24 小时发酵后可达到 120g/L。这个联产 1,3-丙二醇和有机酸酯的工业过程，也是一个生物合成和化学转化相结合的案例，已完成吨级规模放大，正在开发万吨级工业规模。
▲图丨吨级 1,3-丙二醇及有机酸酯联产工艺技术的成功开发（来源：受访者）
目前，该团队还提出了一条通用的二元醇生物合成路线即葡萄糖-氨基酸-二元醇，成功展示了 10 个二元醇的生物合成，其中 6 个支链二醇首次生物合成，具有良好产业化前景。
▲图丨可合成二元醇种类（来源：受访者）
实现生物过程的经济性和环保性也是曾安平一直强调的理念。“在从葡萄糖到二元醇的过程中，差不多三分之一的原料都会变成二氧化碳。”因此，曾安平团队重点研究了二氧化碳捕捉和生物利用。除此之外，该团队还以甲酸、甲醇和甲醛为原料生产各类有机物。针对不同种原料合成 1,3-丙二醇的代谢途径涉及的酶元件，曾安平团队也开发了一套全自动的、智能化的蛋白质设计测试平台，通过在线计算机的模拟计算，可设计改造酶元件，也大大节约了时间和成本。
之所以选择甲醇、甲酸和甲醛等原料，原因有两点，其一，这类化合物都可由二氧化碳生产；其二，该类物质是化工生产过程中的中间产物。曾安平也透露，从这些原料生产 1,3-丙二醇的过程也存在很多技术难题，以甲醛为例，它具有毒性且对细胞有损伤，如何解决这些生产过程中的难题是关键。当前他的团队已完成了概念验证即 0~1，但实现 1~100 仍有很长一段路走。除了 1,3-丙二醇，曾安平团队也正在利用这些原料生产丙酮酸和丝氨酸等生物合成的重要单体。
2021 年 10 月，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在淀粉人工合成方面取得突破性进展，在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。2022 年 4 月，电子科技大学材料与能源学院夏川课题组与中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所于涛课题组、中国科学技术大学曾杰课题组合作通过电催化将二氧化碳和水合成高纯乙酸，再以乙酸及乙酸盐为碳源经生物发酵合成葡萄糖和脂肪酸等长碳链分子。这两项重大成就或许让大众对“喝西北风果腹”这一设想产生了期待。
对此，曾安平表示，目前绝大多数固碳途径和产品还只是停留在“概念验证”阶段，是从“0”到“1”的突破，其技术指标 KPI （key performance indicators）远未达到规模化生物制造的需求。对于大宗化学品的工业化生物制造而言，其产物浓度往往要求在每升上百克（~100g/L），生产强度在 2g/L/h 以上。除个别过程及产品外，基于 CO₂ 自养型的生物合成通常只能达到 mg及 g/L 的浓度水平，生产强度在 g/L/day 以下。在可预见的将来，要实现从“0到1” 到“1到100”的基于 CO₂ 的大规模生物制造过程，还需要工程技术的突破与原创的工艺技术相配合。
曾安平也透露，他们的目标是同时捕捉空气中含有的二氧化碳和氮气，通过甘氨酸（C2）进行从 CO₂（C1）到丙酮酸（C3）的生物合成，进一步实现用空气产高值化合物如氨基酸和蛋白质。他把这一工作形容为“一生二，二生三，三生万物”。
采访最后，曾安平也表示，近年来，国内合成生物学发展虽较迅速，但真正产业化的产品其实较少，很多依然停留在概念上，研究的内容仍然远离实际工业生产，没有针对产业化过程中存在的核心科学与技术问题，提供解决方案。另外，作为从事了几十年科研事业的前辈，他也与我们分享了他的一些科研经验。他认为，前沿基础研究和工程研究的紧密结合不仅是合成生物学实现其生物经济巨大潜力的必经之路，也是中国科技创新和提升迫切需要提倡的研究范式。西湖大学为曾安平这一科研理念提供了一个绝佳的舞台。
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