我们所处的世界高度依赖化石资源。从燃料到合成纤维和塑料，许多化学品和材料都要经过精炼，在这一过程中，化石石油或天然气充当原料。人们认为，制造日常用品时使用化石资源会威胁国家能源安全，而且往往也将其归咎于气候变化。因此，人们正尝试减少对化石资源的依赖，例如改用可再生生物质作为替代原料。
谈到以生物质为原料，人们首先会想到一个问题：粮食与燃料之争。可食用的玉米和糖类是否应该用作原料？所幸，合适的非粮食生物质（如木质纤维素和藻类生物质）价格低廉且资源丰富，因此没有必要——至少将来不必——在生物炼制中使用 粮食作物生物质。最终，我们将能够实现粮食与燃料之间的平衡。
展望未来，二氧化碳有朝一日将被用作原料，生产目前以石油为原料制造的化学品和材料。要实现这一目标，我们需要找到高性能微生物。然而，从自然界分离出的微生物并不适合用于高效且经济的生产。这正是代谢工程发挥作用之处：它能提升细胞的代谢性能。
过去几十年间，代谢工程在设计和开发经过工程改造的微生物方面迅速发展，使其能够更高效地生产药物、化学品、燃料和材料。系统生物学和合成生物学的进展改变了代谢工程领域。通过快速分析完整基因组，再从系统层面分析细胞和代谢特性，如今的代谢工程师掌握了海量数据和仿真工具，可以用来设计性能最佳的细胞。
借助合成生物学，我们现在能够设计和创造酶及代谢途径，从而生产甚至包括非天然化学品在内的物质。这种整合式代谢工程方法称为“系统代谢工程”，使我们能够开发性能卓越的生物催化细胞，推动生物炼制取得成功。例如，1,4-丁二醇是一种非天然的大宗化学品，可用于制造塑料、氨纶、聚酯和聚乳酸；通过对 大肠杆菌进行系统代谢工程即可生产这种化学品。从本质上说，细菌可以经过改造，制成合成纤维。
这类发展将推动化学工业革新，帮助我们迈向更加可持续的世界。此外，代谢工程领域的就业机会也将增加，包括发酵、下游生物加工和一体化生物过程合成等方面。
欲了解更多信息，请阅读世界经济论坛的《工业生物炼制的未来》报告： http://www3.weforum.org/docs/WEF_FutureIndustrialBiorefineries_Report_2010.pdf
作者：Sang Yup Lee 是韩国科学技术院（KAIST）特聘教授、院长兼主任，目前担任世界经济论坛新兴技术全球议程理事会主席。
图片：2010年5月21日，在位于阿雷格里港西南300公里（186英里）的帕苏丰杜市Oleoplan工厂，一名化学工程师举起一支生物燃料试管。随着巴西的生物燃料业务日益由大型企业主导，巴西正努力扩大该行业，让小农户也能参与其中；他们可以种植用于生产燃料的作物，从而增加收入。路透社/Bruno Domingos
