张以恒
生物工程专业：博士生导师
博士，研究员，博士生导师，国家级引进人才、国家重点研发计划首席科学家、中国科学院率先行动“BR计划A”学术帅才 。1989至1996年就读于9728太阳集团生物工程专业，获得学士和硕士学位，1997至2002年就读于美国达特茅斯学院化学工程专业并获得博士学位，曾经任美国弗吉尼亚理工大学助理教授，终身副教授以及正教授。2021年底排除万难全职回国工作，成为天津市海外高层次人才恢复中国国籍的首位专家。现任低碳合成工程生物学全国重点实验室主任、中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心主任，任9728太阳集团、中国科学院大学、中国科学技术大学、天津科技大学兼职教授，中国科学院天津工业生物技术研究所学术委员会委员、低碳合成工程生物学全国重点实验室学术委员会委员、中国微生物学会专业委员会委员等。
张以恒研究员是国际公认的体外合成生物学奠基人之一，其开创的体外生物转化（ivBT）技术体系，突破传统生物制造局限，推动工业生物技术向“以清洁生物加工替代化学加工、以可再生资源替代化石资源”的战略转型，为我国生物制造领域三大核心方向提供关键技术支撑。张以恒研究员团队首创纤维素定向催化合成淀粉技术，实现原料转化率提升93%、原料收益提高三倍以上，推动农业废弃物高值化、可盈利产业化应用；作为中国科学院先导专项“二氧化碳人工合成淀粉”技术总工程师，发展二氧化碳至淀粉的低碳制造技术，支撑“双碳”目标实现；领导完成的全球首个体外合成生物学工业化案例（淀粉制肌醇），年利润超1亿元。
长期从事体外生物制造技术研究，主要研究领域有体外合成生物学、体外生物转化（ivBT）、多酶分子机器（含人工多酶复合酶等）、体外无细胞呼吸作用、人造光合作用、体外呼吸作用、新生物炼制、酶工程、新型能源体系、农业工业化、健康糖合成、维生素合成。承担了国家重点研发计划、中科院先导C、国家自然科学基金等一批重点重大项目，已在Science Bulletin, PNAS（5）, Energy & Environ Sci （3）、 Nat Commun, Angew Chem等发表了超过200多篇SCI文章，论文引用超过15000次, 在2023年全球学者学术影响力生物工程学科排名中，中国地区（包括台湾与香港）论文篇均平分排名第一，论文总评分第五；获得超过50多项海外授权专利。
获奖成果：
美国化学会Biotech & Bioeng的Daniel IC Wang（王义翘）奖（全球每年一位，全球华人首例）；
杜邦青年教授奖；
美国农业生物工程学会新奇士青年工程设计师奖；
美国化学工程师协会年度大会讲座奖；
弗吉尼亚理工大学工学院院长杰出研究奖；
中国教育部自然科学奖一等。
发表论文情况（近五年）：
2025年
1. 石婷、陈雪梅、张以恒*. 2025. 基于体外合成生物学的健康糖生物制造新技术与产业化进展.《合成生物学》DOI: 10.12211/2096-8280.2025-054.
2. Z, Zhang Y-HPJ*. 2025. Beyond the cell factory: in vitro BioTransformation (ivBT) -- a disruptive biomanufacturing platform. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology.
3. Liu X, Han PP, Zhang Y-HPJ*. 2025. Rapid biosynthesis of D-mannitol and gluconate catalyzed by a combination of whole cell and an enzyme at high temperatures. Synthetic Biology and Engineering Accepted
4. Chai C, Zhang Y-HPJ*. 2025. Discovery and characterization of high-activity formate oxidase with low Km value under non-acidic conditions. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. Accepted.
5. 张以恒*、陈雪梅、韩平平. 2025. 生物制造的PE值与PX值：定义与应用.《合成生物学》DOI: 10.12211/2096-8280.2025-020
6. Li YF, LiuMX, Zheng Q, Zhai ZY, Ren SJ, Sun JS*, Zhang Y-HPJ*. 2025. Coproduction of biohydrogen and gluconate by an enzyme cocktail comprised of an artificial electron transfer chain and a recombinant thermophilic [NiFe]-hydrogenase. ACS Sustainable Chemistry & Engineering DOI： 10.1021/acssuschemeng.4c08472
7. Zhai ZY, Li YJ, Li ZL, Wang JT, Li Y, Zhang Y-HPJ*. 2025. Enzymatic cleanup of formaldehyde in aqueous solutions. ChemSusChem 18: e202402711 (Cover page).
8. Li Q, Su H, Meng D, Qin Y, Wu R, Zhu Z, Sheng X, You C*, Zhang Y-HPJ. 2025. Stoichiometric regeneration of biomimetic nicotinamide coenzyme powered by biomass sugars via in vitro synthetic enzymatic biosystems. ChemSusChem 18, e202401263.
9. Fan L, Shi T, Chen XM, Li YJ, Han PP, Jensen PR, Zhang Y-HPJ*. 2025. Biosynthesis of a healthy natural sugar D-tagatose: advances and opportunities. Critical Review in Biotechnology. DOI：10.1080/07388551.2025.2489424
10. Jia M, Chen Y, Wang J, Wang J, Ma Y, Wang Y, Ma Q, Zhang Y-HPJ, Liu W, Liu K*. 2025. His70 of Acetivibrio alkalicellulosi Cel5A is important for efficient hydrolysis of short cellodextrins. AMB Express. 15(1), 53.
11. 张以恒*、陈雪梅、石婷. 2025. 生物制造的产本率（PC值）：定义与应用.《合成生物学》6: 8-17.
12. Chang L, Cui H, Liu W, Zhang Y-HPJ, Zhang L*. 2025. Electro-driven ATP synthesis via a reconstructed thylakoid membrane. Angew. Chem. Int. Ed., 64, e202421120. https://doi.org/10.1002/anie.202421120
2024年
1. Zhang YZ*, Cai YK, Zhang B, Zhang Y-HPJ*. 2024. Spatially structured exchange of metabolites enhances bacterial survival and resilience in biofilms. Nature Communications, 15:7575.
2. Li Y, You C, Zhang Y-HPJ*. 2024. In vitro biotransformation of high-titer D-glucarate by stepwise-added enzyme cocktails. Organic Process Research & Development, 28(2) 478–486.
3. Chang LJ, Cui HJ, Li F, Zhang Y-HPJ, Zhang LL*. 2024. ATP regeneration by ATPase for in vitro biotransformation. Biotechnology Advances, 73, 108377.
4. Wei X, Yang X, Hu C, Li Q, Liu Q, Wu Y, Xie L, Ning X, Li F, Cai T, Zhu Z, Zhang Y-HPJ, Zhang Y, Chen X, You C*. 2024. ATP-free in vitro biotransformation of starch-derived maltodextrin into poly-3-hydroxybutyrate via acetyl-CoA. Nature Communications 15: 3267.
5. Kang Z, Wang Y, Song H, Wang X, Zhang Y.-H.P.J., Zhu Z*. 2024. A wearable and flexible lactic-acid/O2 biofuel cell with an enhanced air-breathing biocathode. Biosensors and Bioelectronics 246:115845.
6. Sun S, Li Q, Fan L, Zhang Y-HPJ, C. You C*. 2024. Hybrid computationally guided strategies for engineering a laminaribiose phosphorylase to facilitate the industrial production of laminaribiose in vitro. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 12(9): 3461-3477.
7. 张玉针、陈雪梅、石婷、刘宽庆、张以恒*. 2024. 第十章: 生物质生物转化新技术.《中国生物经济发展报告》
8. 张以恒*. 2024. 体外生物转化（ivBT）是体外合成生物技术的工业制造平台.《合成生物技术及产业发展报告》
9. 李怡霏、陈艾、杨凤爱、孙俊松*，张以恒*. 2024. 体外多酶分子机器产氢应用中的氢酶研究.《合成生物学》5(6): 1461-1484. DOI: 10.12211/2096-8280.2024-052
10. 刘宽庆*，张以恒. 2024. 木质素的生物降解和生物利用.《合成生物学》5(6): 1264-1278. DOI: 10.12211/2096-8280.2023-062.
11. 石婷，宋展，宋世怡，张以恒*. 2024. 体外生物转化（in vitro BioTransformation，ivBT）：生物制造的新前沿.《合成生物学》5(6): 1437-1460. DOI: 10.12211/2096-8280.2024-004.
12. 张以恒*.2024. 中国哲学“道法术器”对生物制造的启发.《合成生物学》5(6):1231-1241. DOI: 10.12211/2096-8280.2023-066.
2023年
13. Xu XX, Zhang W*, You C, Fan C, Ji WL, Park J-T, Kwak J, Chen HG, Zhang Y-HPJ*, Ma YH*. 2023. Biosynthesis of artificial starch and microbial protein from agricultural residue. Science Bulletin 68: 214-223.
14. Zhang Y-HPJ*, Zhu ZG, You C, Zhang LL, Liu KQ. 2023. In vitro BioTransformation (ivBT): definitions, opportunities, and challenges. Synthetic Biology and Engineering, 1:10013.
15. Yang Y, Liu Y, Zhao H, Liu D, Zhang J, Cheng J, Yang Q, Chu H, Lu X, Luo M, Sheng X, Zhang Y-HPJ, Jiang H*, Ma Y. 2023. Construction of an artificial phosphoketolase pathway that efficiently catabolizes multiple carbon sources to acetyl-CoA. PLOS Biology 21: e3002285.
16. 刘伟松, 张坤城, 崔会娟, 朱之光, 张以恒, 张玲玲*. 2023. 电能辅助二氧化碳生物转化. 《合成生物学》4, 1191-1222.
17. Wu RR, Li F, Cui XY, Li ZH, Ma CL, Jiang HF, Zhang LL, Zhang Y-HPJ, Zhao TX, Zhang Y-HP; Li Y, Chen H, Zhu ZG*. 2023. Enzymatic electrosynthesis of glycine from CO2 and NH3. Angewandte Chemie International Edition. 62: e202218387.
18. 王钦宏*、张以恒、田朝光、孙周通、马延和. 2023. 低碳生物合成：机遇与挑战.《科学通报》68(18), 2427 ~ 2434. https://doi.org/10.1360/TB-2022-1194
19. Han PP, Li YJ, You C, Wu H*, Zhang Y-HPJ*. 2023. High-titer production of myo-inositol by biomimetic mineralized microcapsules containing a four-enzyme cocktail. Chemical Engineering Journal. 461: 141946.
20. Liu MM, Song YH, Zhang Y-HPJ*, You C*. 2023. Carrier-free immobilization of multi-enzyme complex facilitates in vitro synthetic enzymatic biosystem for biomanufacturing. ChemSusChem. 16: e202202153.
21. Meng DD, Liu MX, Su H*, Song HY, Chen LJ, Li QZ, Liu Y-N, Zhu ZG, Liu WD, Sheng X, You Y*, Zhang Y-HPJ. 2023. Coenzyme engineering of a glucose 6-phosphate dehydrogenase on a nicotinamide-based biomimic with its application for glucose biosensor. ACS Catalysis. 13:1983–1998.
22. Li ZH, Wu RR, Chen K, Gu W, Zhang Y-HPJ, Zhu ZG*. 2023. Enzymatic biofuel cell-powered iontophoretic facial mask for enhanced transdermal drug delivery. Biosensors and Bioelectronics. 223: 115019.
2022年
23. 宋云洪、吴冉冉、魏欣蕾、石婷、李运杰、游淳、张玲玲、朱之光*、张以恒*. 2022. 电-氢-糖循环的新能源体系研究进展. 《生物工程学报》（Chinese Journal of Biotechnology）38：4081-4100.
24. 李金根、刘倩、刘德飞、张永利、郑小梅、高乐、王婧婷、张以恒、张学礼、田朝光* 2022. 秸秆生物转化与可再生化工. 《生物工程学报》（Chinese Journal of Biotechnology）38：4283-4310.
25. 郑宏臣、徐健勇、朱蕾蕾、郑迎迎、涂然、石婷、付刚、刘倩、王兴彪、韩旭、张以恒、柏文琴*、宋诙*. 2022. 工业酶与绿色生物工艺的核心技术进展. 《生物工程学报》（Chinese Journal of Biotechnology）38：4219-4239.
26. Zhu ZG*, Song HY, Wang YM, Zhang Y-HPJ*. 2022. Protein engineering for electrochemical biosensors. Current Opinions in Biotechnology 76: 102751.
27. Wang J, Qu G, Xie LP, Gao C, Jiang YY, Sun ZT, You C*, Zhang Y-HPJ. 2022. Engineering of a thermophilic dihydroxy-acid dehydratase toward glycerate dehydration for in vitro biosystems. Applied Microbiology and Biotechnology. 106, 3625–3637.
28. Ye J, Li YJ, Bai YQ, Zhang T, Jiang W, Shi T*, Wu ZJ*, Zhang Y-HPJ*. 2022. A facile and robust T7-promoter-based high-expression of heterologous proteins in Bacillus subtilis. Bioresources and Bioprocessing. 9: 56.
2021年
29. 张以恒. 2021. 忆王义翘教授对生物炼制的贡献和我对生物炼制未来发展的个人观点.《合成生物学》2: 497-508.
30. Song YH, Zhu ZG, Zhou W, Zhang Y-HPJ*. 2021. High-efficiency transformation of archaea by direct PCR products with its application to directed evolution of a thermostable enzyme. Microbial Biotechnology, 14:453-464.
31. Chen HG*, Zhang Y-HPJ*. 2021. Enzymatic regeneration and conservation of ATP: challenges and opportunities. Critical Reviews in Biotechnology 41: 16-33.
专利授权与申请：
PCT + 同族专利
1.(#7) Lee R. Lynd, Yi Heng Percival Zhang. Liu Yanpin. Process for the hydrolysis of cellulose mediated by ternary complexes of cellulose, Clostridium thermocellum cells, and cellulase expressed by these cells. Filing date: May 1, 2007 (Licensed by Mascoma). 同族专利：WO2007136971A3, CN101466843B.
2.(#19) Yi Heng Percival Zhang. Cellulose-solvent-based lignocellulose fractionation with modest reaction conditions and reagent cycling (US8784566B2). Filing date: Mar 29, 2006 (Licensed by Optafuel/Biomethodes)专利状态：有效、转让。同族专利：WO2007111605A1, EP2007945B1; CY1111646T1, CA2647516C, IN258601A1E, IN317833A1B, JP5209597B2, AT497058T, ES2360828T3, SIEP2007945T1, PT2007945E, AU2006340913B2, SI2007945T1, CN101449001B, DE602006019919D1, DK2007945T3, RPI0621525B1.
3.(#30) Yi Heng Percival Zhang. Method and apparatus for lignocelluloses pretreatment using super-cellulose-solvent and highly volatile solvents (US8663392B2. US8900369B2). Filling date, March 16, 2009; (Licensed by Optafuel/Biomethodes). 专利状态：有效、转让。同族专利：WO2009114843A1, EP2254913B1, BRPI0909297B1, JP2014209906A, JP5965431B2; IN2059MUMNP2010A, AU2009223302B2, P5551091B2, MOJ001428B, ES2643992T3, IN283292A1, RU2010141585A, NO2254913T3C, CA2718427C, CN102027021B, CN103819688B, AU2009223302A1, DK2254913T3, RU2509778C2, PL2254913T3, PT2254913T.
4.(#7) Yi Heng Percival Zhang, JR Mielenz. Biohydrogen production by an artificial enzymatic pathway (US8211681B2). 申请日：2007-05-11. 同族专利：WO2007134268A3, EP2018394A4, JP2009536829A, CA2654491A1, BRPI0711372A2, AU2007249258A1, IN2457MUMNP2008A.
5.(#7) Yi Heng Percival Zhang, Zhiguang Zhu. Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways (US10897057B2, US10128522B2). 申请日：2014-06-05，专利状态：有效、转让。同族专利：WO2014197702A1, EP3005461B8, CN104471771B, KR101981370B1, CA2914504C, DK3005461T3.
6.(#8) 张以恒、游醇。肌醇的制备方法（CN106148425B），申请日：2015-04-17，专利状态：有效、转让。同族专利：WO2016165520A1, EP3305905B1, US10597682B2, US11028414B2, JP6685322B2，KR102017024B1。当前权利人，四川博浩达生物科技有限公司。专利状态，有效；专利转让成功。四川博浩达生物科技有限公司建成年产万吨肌醇的智能制造工厂，是全球最大生产企业。
7.(#26) Daniel J Wichelecki, Yi Heng Percival Zhang. Enzymatic synthesis of D-tagatose (US11034988B2). 申请日：2015-10-02，专利状态：有效。同族专利： WO2017059278A1, EP3322803B1, AU2016329090A8，KR1020180054557A, HK1256459A1, HK1257483A, MA42345B1, BR112018006587A2, CA3000412A1, PH12018500700A1, JP6782057B2, JP6560441B2, ZA201802847A, PL3322803T3, PT3322803T, CN107208084B, CN108374031A, SG10202000304UA, BRPI1806587A2, IL258460D0, MX366260B, ES2867958T3, KR101981020B1, RU2749811C1, VN58458A, IL258460A, PE12042018A1.
8.（#10）张以恒、周伟。D-木酮糖4-差向异构酶、其突变体及其用途（CN113122528A），申请日：2019-12-31，专利状态：审中。同族专利：WO2021135796A1。
中国专利
9.张以恒、马延和、张伟、李元。一种对木质纤维素进行综合利用的方法。
10.张以恒、周伟。聚磷酸依赖型葡萄糖激酶变体及其应用（CN109897840B），申请日：2017-12-08，专利状态：有效。
11.游淳、徐淑霞、谢雷朋、张以恒。一种L-乳酸催化反应体系及L-乳酸的制备方法（CN107663517B），申请日：2017-10-31，专利状态：有效。
12.张以恒、李元、刘珊。一种D-手性肌醇的制备方法（CN109706189B），申请日：2017-10-25，专利状态：有效。当前权利人，中国科学院天津工业生物技术研究所；专利状态，有效；技术转让到河北安米诺氨基酸科技股份有限公司；转让金额，60万人民币；当前专利权利人保留专利权利。
13.陈红歌、杨森、程琨、王明道、张以恒。耐高温异淀粉酶基因的克隆、表达及应用（CN104988166B），申请日：2015-05-28，专利状态：有效。
14.朱之光、张以恒、宋海燕、马春玲。一种酶电极、生物传感器及其制备方法和用途（CN110938667A）申请日：2018-09-21，专利状态：审中。
15.张以恒、宋云洪、刘美霞。一种重组高温镍铁氢化酶的异源表达纯化方法及其应用（CN109666689A）申请日：2017-10-15，专利状态：审中。
16.张以恒、李运杰。肌醇-1-磷酸的制备方法（CN109652473A）申请日：2017-10-10，专利状态：审中。
17.张以恒、钟超。多酶催化制备纤维二糖的方法（CN108611386A）申请日：2016-12-12，专利状态：审中。
美国专利
18.Yi Heng Percival Zhang. Biosynthesis of preparing nicotinamide mononucleotide and derivatives thereof（US20210246476A1）申请日：2021-02-01，专利状态：审中。
19.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang, Zhiguang Zhu. Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways (US10128522B2). 当前权利人，中国科学院天津工业生物技术研究所；专利状态：有效；专利权转让从个人到中国科学院天津工业生物技术研究所。
20.（原始）发明人：张以恒、朱之光。 使用无细胞合成酶促通路将糖完全氧化成电能 (CN104471771B). 当前权利人，中国科学院天津工业生物技术研究所；专利状态：有效；专利权转让从个人到中国科学院天津工业生物技术研究所。
21.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang, Zhiguang Zhu. Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways (EP3005461B8). 当前权利人，中国科学院天津工业生物技术研究所；专利状态：有效；专利转让从个人到中国科学院天津工业生物技术研究所。
22.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang, Zhiguang Zhu. Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways (CA2914504C). 当前权利人，中国科学院天津工业生物技术研究所；专利状态：有效；专利权转让从个人到中国科学院天津工业生物技术研究所。
23.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang, Zhiguang Zhu. Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways (KR101981370B1). 当前权利人，中国科学院天津工业生物技术研究所；专利状态：有效；专利权转让从个人到中国科学院天津工业生物技术研究所。
24.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang. Cellulose-solvent-based lignocellulose fractionation with modest reaction conditions and reagent cycling (US8784566B2). 当前权利人，VIRGINIA TECH INTELLECTUAL PROPERTIES；专利状态：有效；专利使用权转让到Optafuel/Biomethodes。包括其它同族专利：EP2007945B1; CY1111646T1, CA2647516C, IN306011A1, IN258601A1E, IN317833A1B, JP5209597B2, AT497058T, ES2360828T3, SIEP2007945T1, PT2007945E, AU2006340913B2, SI2007945T1, CN101449001B, DE602006019919D1, BRPI0621525A2, DK2007945T3, RPI0621525B1。
25.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang. Method and apparatus for lignocelluloses pretreatment using super-cellulose-solvent and highly volatile solvents (US8663392B2). 当前权利人，VIRGINIA TECH INTELLECTUAL PROPERTIES；专利状态：有效；专利使用权转让到Optafuel/Biomethodes。包括其它同族专利：EP2254913B1, EP3205672A1, BRPI0909297B1, JP2014209906A, JP2011515082A, JP5965431B2; IN2059MUMNP2010A, AU2009223302B2, P5551091B2, MOJ001428B, ZA201006622A, BRPI0909297A2, ES2643992T3, IN283292A1, RU2010141585A, NO2254913T3C, N102027021A, CA2718427C, CA2718427A1, CN102027021B, CN103819688B, HK1198447A1, AU2009223302A1, DK2254913T3, RU2509778C2, PL2254913T3, PT2254913T。
26.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang. Method and apparatus for lignocelluloses pretreatment using super-cellulose-solvent and highly volatile solvents (US8900369B2). 当前权利人，VIRGINIA TECH INTELLECTUAL PROPERTIES；专利状态：有效；专利使用权转让到Optafuel/Biomethodes。
27.（原始）发明人：Yi Heng Percival Zhang. Method and apparatus for lignocelluloses pretreatment using super-cellulose-solvent and highly volatile solvents (US8900369B2). 当前权利人，VIRGINIA TECH INTELLECTUAL PROPERTIES；专利状态：有效；专利使用权转让到Optafuel/Biomethodes。
28.张以恒、周伟。D-木酮糖4-差向异构酶、其突变体及其用途（CN113122528A），申请日：2019-12-31，专利状态：审中。同族专利：WO2021135796A1。权利人: 法律状态及变更/许可/转让
29.张以恒、周伟。聚磷酸依赖型葡萄糖激酶变体及其应用（CN109897840B），申请日：2017-12-08，专利状态：有效。
30.游淳、徐淑霞、谢雷朋、张以恒。一种L-乳酸催化反应体系及L-乳酸的制备方法（CN107663517B），申请日：2017-10-31，专利状态：有效。
31.陈红歌、杨森、程琨、王明道、张以恒。耐高温异淀粉酶基因的克隆、表达及应用（CN104988166B），申请日：2015-05-28，专利状态：有效。
32.朱之光、张以恒、宋海燕、马春玲。一种酶电极、生物传感器及其制备方法和用途（CN110938667A）申请日：2018-09-21，专利状态：审中。
33.Yi Heng Percival Zhang. Biosynthesis of preparing nicotinamide mononucleotide and derivatives thereof（US20210246476A1）申请日：2021-02-01，专利状态：审中。
联系方式：
电话：022-24828789，电子邮件：zhang_xw@tib.cas.cn
通讯地址：天津市空港经济区西七道32号中国科学院天津工业生物技术研究所，300308。