先进生物炼制与合成研究组面向我国能源安全、粮食安全、农业环境与可持续发展需求，围绕非粮生物质的先进生物炼制、高品质微生物油脂与蛋白的合成发酵生产开展研究。研究组以纤维素降解微生物和产油微生物为主要研究体系，研究方向包括微生物功能分子机制、遗传改造与多组学分析、结构生物学与酶工程、微生物代谢工程与合成生物学、发酵工艺过程优化等，贯穿从基础研究到产业应用开发的各类研究课题。

1. 先进生物糖化

纤维小体是自然界中已知的最为高效的木质纤维素降解体系之一。产纤维小体细菌广泛分布于土壤环境和动物消化道中，代表性菌株有热纤梭菌、解纤维梭菌、溶纤维假拟杆菌、黄色瘤胃球菌等。纤维小体具有复杂的多级自组装，在结构、组分、动态调控方面具有极其复杂的多样性。纤维小体的独特自组装特性和多样性，使其不仅在生物质能源开发中具有重要价值，而且在人工代谢通路构建、细胞表面展示、传感器开发、纳米生物材料等生物技术开发中具有许多应用，被誉为“生物技术的宝库”。研究组以产纤维小体细菌为主要研究对象，通过对纤维小体及其生产菌株的高效作用机制研究，对产纤维小体细菌进行系统的代谢工程改造，开发用于非粮生物质的先进生物糖化技术，致力于解决大规模生物制造中的原料成本瓶颈和与人争粮问题。主要课题包括：

a) 纤维小体的高效作用机制

b) 产纤维小体细菌的分子生理机制

c) 纤维素降解菌的代谢工程改造

d) 木质纤维素的新型生物炼制策略与工艺开发

e) 基于微生物的环境修复与废弃资源利用技术开发

2. 脂萜类生物发酵合成

许多微藻和真菌可以在胞内积累大量的多不饱和脂肪酸油脂以及其他萜烯类化合物，具有重要的营养价值，其中的一些产品已长期作为保健食品和营养素使用。此外，单细胞油脂和单细胞蛋白是未来食品的重要来源，也是解决粮食安全、实现油脂替代和蛋白替代的重要途径之一。研究组以裂殖壶菌、高山被孢霉、解脂耶氏酵母等高产油微生物为主要研究对象，解析这些微生物的油脂合成与积累机制，筛选具有高含量DHA、EPA、ARA、角鲨烯或其他高附加值产品的天然菌株，开发功能油脂和蛋白的微生物发酵工艺技术。同时，研究组通过对这些非模式生物的遗传改造工具开发和改造，基于合成生物学理念构建可高效生产新脂萜类产品的细胞工厂，为未来食品、药物和高附加值化学品的绿色生产提供基础。主要课题包括：

a) 产油微生物的分子生理机制

b) 产油微生物的代谢工程改造

c) 单细胞油脂与单细胞蛋白的生产菌株开发

d) 单细胞油脂发酵工艺开发与优化

e) 高附加值藻类与真菌的菌株开发与应用

3. 前沿方法学

研究组注重平台工具建设与前沿方法学开发。研究组具有完善的结构生物学平台，在酶的催化机制与酶工程改造研究中富有经验，针对非模式微生物具有自主研发的电转化设备和基因敲除与编辑工具，开发了多种实验室定向进化技术和高通量筛选技术。主要课题包括：

a) 酶的催化机制与酶工程改造

b) 非模式微生物的遗传改造工具开发

c) 实验室定向进化技术开发

d) 菌株高通量筛选技术与发酵工程