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发布时间：2021-12-15
——记浙江大学“百人计划”研究员傅维琦
孙雅琴
在Science Advances等期刊发表学术论文30余篇，受邀参编学术专著4部（包括爱思唯尔的《天然产物化学》2部，施普林格·自然的《分子生物学方法》丛书1部和英国皇家化学学会的微藻生物技术1部等业内的权威出版书籍），获冰岛国家级应用科学奖，当选为冰岛科学院院士，担任欧盟委员会基金评审特邀会评专家……
研究成果受到国际学界高度认可，埋首光合微生物（微藻）资源工程研究十二载，国家级高层次青年人才、浙江大学“百人计划”研究员、博士生导师傅维琦早已练就从容淡静的品格与心态。“不以物喜，不以己悲。”不管是顺境还是逆境，他都将其理解为实验学科独有的魅力。怀抱让研究成果为国所用、为民所用的梦想，回国后傅维琦带领团队为发展我国微藻资源的基础研究及产业化应用不遗余力。
从基础研究到应用研究
在傅维琦读大学的时候，微藻资源工程在国内并不是热门的研究方向，对于当时的科研工作者来说，这是一条少有人走的路。
傅维琦与这一领域的结缘还得从他成为生物化工专家岑沛霖教授的关门弟子说起。当时，岑教授带领他用生物工程方法构建重组大肠杆菌并通过微生物发酵工程生产5-氨基乙酰丙酸。作为生物合成血红素、细胞色素、维生素B12等必不可少的前体化合物，5-氨基乙酰丙酸用途广泛，可作为新型光动力药物治疗皮肤癌等，并可开发成为植物生长调节剂、绿色除草剂等。直至博士毕业，傅维琦和岑教授、林建平教授等团队成员开发了5-氨基乙酰丙酸的微生物合成工艺。在相关研究成果的基础上，他们发表了一系列高水平论文，并获得多项发明专利授权。过往的5年时间里，傅维琦一直在思考未来的科研方向，最终他得出一个结论：不能止步于基础科研。
2009年，抱定信念的傅维琦，步履不停，这一年他来到冰岛大学从事博士后研究工作，把科研目光投向海洋里的光合微生物，开始了更偏应用方向的研究。彼时，傅维琦师从生物工程与系统生物学先驱、美国工程院院士Bernhard Palsson。在傅维琦的心目中，自己的博士后导师不仅有卓越的科研能力，更有突出的人格魅力。“他很开明，当实验失败时，他会开导我说，科学实验研究中有三分之一左右的实验往往会以失败告终，经历一两次失败不算什么，从头再来就好。”
这一时期，傅维琦主要的研究对象是海洋光合微生物（微藻）。这一古老的生命体，是地球演化过程中氧气的生产者，是高等植物进化过程中的共同原始祖先，是初级生产力的主要贡献者。这一古老物种虽然形貌微小，但它的一项功能却令人称奇：“捕食”废气中的二氧化碳，并将其转化为蛋白质、碳水化合物、油脂和色素等高附加值产品，成为利用自然规律实现固碳减排的“妙招”。
然而，目前微藻资源化和大规模开发仍须解决光合作用效率低及高密度培养等技术难题。面向这些挑战，傅维琦尝试利用适应性进化、系统生物学等工程化方法设计改造微藻，提高光合作用效率。
科研成果突破技术难题
一次次攻关克难，一次次积蓄自信，几年研究下来，傅维琦收获了诸多有代表性的研究成果。
傅维琦设计开发了极具放大潜力的柱状鼓泡式光生物反应器，利用生物质元素含量平衡分析设计可获取的生物质产量，在高浓度二氧化碳通气条件下优化稳定培养液pH值促进小球藻生长，并采用不同光谱和光强的高频脉冲光作为光源，促进小球藻在特定强光照条件下提升生物质得率和固碳水平，藻生物量干重浓度可达20克每升培养液，为当时已知报道最高水平。
这项成果通过优化设计LED光源等，解决了微藻高密度培养的关键问题，并使得光能生物质能转换率得到显著提升，受到IEEE Fellow、加拿大工程院院士Edward Sargent等顶尖学者的高度肯定。现已开发测试不同规模的光生物反应器，对效率和放大可行性进行系统评估。
此外，傅维琦还利用参与构建的模式绿藻莱茵衣藻的全基因组代谢模型，开展微藻实验室适应性进化研究，同时利用自主设计的新型光生物反应器提升产品得率，提出藻类开发的新思路和新方法。他结合适应性进化研究系统开展了藻类重要色素等天然产物的代谢组学研究，揭示了微藻主要色素的代谢途径，并获取小球藻、杜氏盐藻、三角褐指藻等不同微藻中色素的特征化图谱，同时为快速分析不同藻种及复杂生物样品中色素的测定建立标准化流程和方法，为色素代谢工程研究奠定良好的基础。研究成果被藻类领域先驱爱尔兰皇家学院院士Christine Maggs、欧洲藻类生物质协会创始主席Mario Tredici等大幅引用并高度评价。
值得一提的是，适应性进化方法不仅可以有效提升微藻的光合作用效率，同时有助于科学家通过非基因工程手段改造微藻，从而实现次级代谢产物等高附加值产品的积累。目前该方法已被中国、美国、加拿大、澳大利亚、荷兰、日本、韩国、俄罗斯、以色列等国的知名科学家广泛接受并应用于微藻领域的教育培训、科学研究和工业开发项目，在澳大利亚昆士兰大学及农业生物技术公司、荷兰农业部成立的微藻生产和研究中心等地得到应用，产生了较为广泛的国际影响。
傅维琦还以微藻色素代谢组学研究为基础，开展微藻合成生物学及系统生物学研究，并开发胞内光谱转换（ISR）等全新方法提升强光下硅藻的光合作用和产率，为新型生物反应器设计开发以及微藻高密度大规模培养奠定基础。该研究成果揭示海藻在强光照条件下的抗逆境机制，提出了优化藻类及植物光合作用效率的新方案，实现了高光照条件下的微藻高密度培养，具有极大的产业化潜力，也为推动微藻资源可持续性发展奠定了坚实的基础。
此外，傅维琦发现特定信号传导基因可以逆转硅藻的自然表面定殖过程。由于该研究的重要意义和潜在的深远影响，《自然》（Nature Middle East）对傅维琦进行了在线专访，并以专题“Searching for genes that could help turn off biofouling（寻找有助于阻断生物污损的基因）”进行热点研究报道，指出该研究为操纵基因从而逆转自然界硅藻表面定殖的过程打开了大门，同时也为开发新型非化学防污方法奠定了基础。
余秋雨在《借我一生中》写道：“人生的路，靠自己一步步走去，真正能保护你的，是你的人格选择和文化选择。”国外的科研工作经历，让傅维琦对中华文化保有更深切的认同感。科学没有边界，但科学家有自己的祖国。傅维琦心念祖国发展，希望为祖国贡献自己的力量。带着这样的心愿，2020年，他毅然选择放弃海外优厚的待遇，回到母校继续开展微藻基础及应用研究至今。
从现在到未来
2020年，中国在第七十五届联合国大会一般性辩论上向国际社会作出“碳达峰、碳中和”郑重承诺。在今年的政府工作报告中，“做好碳达峰、碳中和工作”被列为重点任务之一；“十四五”规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中。据了解，微藻作为可以进行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、适应环境性强等优点，相当于森林固碳能力的10～50倍。每年由微藻光合作用固定的二氧化碳占全球二氧化碳固定量的50%以上。发展微藻固碳技术为国家实现“碳达峰、碳中和”发展目标提供了一种很好的选择。
“随着经济的发展，国家对生态环境的重视程度只会越来越高。我们研究海洋生物技术，也是希望能够解决一些关系到国家重大需求的问题，利用这些技术，对污染源治理和生态环境保护起到一些基础性的指导作用。”怀揣着纯粹的科研初心，傅维琦正在浙江大学“百人计划”研究员的岗位上积极组建团队，与学院及校内外相关团队展开密切合作，助力国家“实现碳达峰、碳中和”的目标。
展望未来，傅维琦将带领团队进一步推进微藻开发相关研究，建立系统生物学和合成生物学两大技术平台，将碳生物地球化学循环基础研究和生物工程开发有机结合，解析海洋微藻在全球碳循环中的重要作用，并通过生物固碳效率的突破，为保护和修复生态环境贡献己力。此外，他还将继续其海洋微藻的适应性进化基础研究，将海洋药物开发的科研任务提上日程。
“在未来，我们会遇见过去。”在未来，傅维琦也将在探索海洋微生物的旅程中拥抱最初的梦想，遇见最好的自己。
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