提起PHA，你也許會覺得陌生。
但如果告訴你，PHA已經(jīng)開始在餐具、食品包裝、3D打印、紡織纖維、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域應(yīng)用，你就會覺得它離我們的生活并不遙遠。
“PHA即聚羥基脂肪酸酯材料家族，是從細胞里長出的新材料。它在自然界可完全降解，無毒無害。”日前接受科技日報記者采訪時，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授、合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國強這樣介紹。
早在30年前，陳國強就認(rèn)定PHA是未來綠色材料的方向，并義無反顧地走上生物制造PHA的研發(fā)之路。“這是一個不斷試錯的過程，我們一次又一次碰壁，再一次次闖過去。”他說。
解決“染菌”之痛
為了減少石油基塑料使用，避免造成更多的白色污染，科研人員一直在尋找可降解的替代材料。生物制造，就是公認(rèn)的替代材料生產(chǎn)路徑之一。
“生物制造，顧名思義，是通過對生物體進行重新設(shè)計和改造，獲得性能優(yōu)良的底盤細胞，再以這些細胞為工廠，制造出人類需要的各類材料。”陳國強告訴記者。
在諸多的生物材料中，PHA具有生物相容性、熱塑性、可降解等優(yōu)勢?；诖饲皵?shù)年的探索與實踐，1994年，在國外做完博士后研究的陳國強來到清華大學(xué)，組建團隊，潛心研究如何實現(xiàn)PHA量產(chǎn)。
“在實驗室，很多問題不容易暴露。而在工廠，規(guī)模一放大，問題就都來了。”陳國強發(fā)現(xiàn)，首當(dāng)其沖的難題是“染菌”——在培養(yǎng)微生物細胞過程中，其他菌類微生物會伴隨其一起生長。
一旦微生物細胞“染菌”，整個發(fā)酵過程就得從頭再來，損失巨大。而要想防止細胞被感染，就必須進行嚴(yán)格的無菌操作，對設(shè)備、人員要求苛刻，能耗也高。
“我們嘗試了很多種微生物，都無法解決這個問題。”陳國強回憶說，直到一次偶然的機會，他想到了極端微生物。
極端微生物一般生長在普通微生物很難存活的極端環(huán)境中，不會輕易被其他微生物感染。有了它，PHA生產(chǎn)過程可以相對開放，無需采取復(fù)雜繁瑣的滅菌操作。
于是，陳國強將目光投向了難以“染菌”的嗜鹽微生物。
很遺憾，團隊成員跑遍多地尋找，均無功而返。直到2006年，在一個緯度低、晝夜溫差大、鹽度比海水還高的鹽湖中取回的土樣中，他們終于分離出了兼具耐鹽和快速生長特性的菌株，這便是嗜鹽菌。
構(gòu)造“底盤”之基
合適的菌株有了，構(gòu)造出底盤細胞成為實現(xiàn)生物制造的關(guān)鍵。
“底盤細胞在發(fā)酵過程中，能夠?qū)⑵咸烟?、淀粉、植物油等可再生生物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為PHA。”陳國強打比方說，“它們好比工廠里的機器，可以源源不斷地生產(chǎn)出我們需要的高分子材料。”
要想獲得底盤細胞，就必須對嗜鹽菌基因進行拆卸、組裝。新的問題隨之而來——嗜鹽菌太特殊了，缺乏現(xiàn)成的分子操作工具。
“‘分子手術(shù)刀’‘分子縫合針’‘分子運輸車’都是必備工具。”陳國強解釋道，“它們分別負(fù)責(zé)對微生物基因?qū)嵤┣懈睢⒅亟M、運輸。”
沒有工具，嗜鹽菌猶如一個“黑匣子”，能看，不能用。
質(zhì)粒載體是常用的“分子運輸車”，負(fù)責(zé)將重組后的基因?qū)胧荏w細胞。“僅這一種工具，就耗費了我們大量精力。”陳國強告訴記者，團隊先后嘗試了數(shù)百種現(xiàn)有的質(zhì)粒，都不成功。
怎么辦？只有擴大范圍，尋找新的質(zhì)粒。經(jīng)過不懈努力，大家又篩選出具有潛力的兩百多個質(zhì)粒，一一試驗，終于迎來轉(zhuǎn)折——有3個能用！
質(zhì)粒有了，微生物基因改造的“黑匣子”打開了。
在此基礎(chǔ)上，團隊又開發(fā)出一系列基因編輯、代謝調(diào)控、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工具，可以從不同層面來修飾、調(diào)控底盤細胞的性能。
開發(fā)分子操作工具，研發(fā)團隊用了整整十年。“這個過程很痛苦。”陳國強坦言，成功的秘訣是信念與堅持。
終于，底盤細胞被團隊構(gòu)造了出來。
“接下來是生產(chǎn)驗證，我們又用了七八年時間，先后闖過了發(fā)酵工藝提升、細菌形態(tài)改造、材料分離提取等難關(guān)，跨越了工業(yè)放大‘死亡谷’。”團隊成員、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副研究員吳赴清介紹。
踩實“轉(zhuǎn)化”之路
工業(yè)放大攻堅期間，2018年，陳國強在國際上首次提出“下一代工業(yè)生物技術(shù)”，并在“小試”“中試”與規(guī)?；a(chǎn)中得到驗證。
但這并不代表此項技術(shù)就能獲得企業(yè)的認(rèn)可。團隊面臨著新的關(guān)卡——成果轉(zhuǎn)化。
“‘下一代工業(yè)生物技術(shù)’利用無需滅菌的連續(xù)發(fā)酵體系進行生產(chǎn)，具有開放式、高效率、低能耗和節(jié)約水資源等優(yōu)點，是傳統(tǒng)生物制造技術(shù)的2.0升級版本。”吳赴清說，這些顛覆性特點，反而讓傳統(tǒng)發(fā)酵企業(yè)顧慮重重。
“一直以來，都要嚴(yán)格密封、高溫滅菌，你說不用就不用了？”有的企業(yè)甚至覺得研發(fā)團隊是在“忽悠”。
幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，團隊終于找到一家愿意嘗試的大型發(fā)酵企業(yè)。為了打消對方顧慮，發(fā)酵測試就在企業(yè)現(xiàn)場進行。
200立方發(fā)酵罐，第一次測試，成功！
對方工程師懷疑：是不是有“運氣”因素？那就再來一次，還是成功！合作隨之順利達成。
2021年，成果轉(zhuǎn)化企業(yè)——北京微構(gòu)工場生物技術(shù)有限公司（以下簡稱“微構(gòu)工場”）成立，產(chǎn)業(yè)化步入快車道。
“公司成立后，在市場的牽引下，實驗室科研進展全面提速。”微構(gòu)工場副總裁歐陽鵬飛說，“以前，菌種9年迭代3代；最近幾年，1年就迭代3代；今年，有望迭代4到5代。”
迭代讓菌株有了更好性能，讓產(chǎn)業(yè)化落地有了更堅實的基礎(chǔ)。
年產(chǎn)千噸的智能生產(chǎn)示范線在北京順義建成，年產(chǎn)3萬噸的生產(chǎn)基地在湖北宜昌設(shè)立……“我們還聯(lián)合川寧生物推進醫(yī)療級PHA產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在安徽合肥建設(shè)‘燈塔工廠’探索各類應(yīng)用場景。”歐陽鵬飛介紹。
2023年，基于嗜鹽菌的開發(fā)利用和“下一代工業(yè)生物技術(shù)”對業(yè)界的貢獻，國際代謝工程學(xué)會授予陳國強“國際代謝工程獎”。如今，相關(guān)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物制造的開放式生產(chǎn)中。
在最近召開的全國科技大會、國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會、兩院院士大會上，習(xí)近平總書記強調(diào)，要瞄準(zhǔn)未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點，加快新一代信息技術(shù)、人工智能、量子科技、生物科技、新能源、新材料等領(lǐng)域科技創(chuàng)新，培育發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)。
面向未來，陳國強信心滿懷：“我們將扎實推進科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，持續(xù)提高PHA產(chǎn)業(yè)化水平，為我國實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)和綠色發(fā)展貢獻力量！”
提起PHA，你也許會覺得陌生。
但如果告訴你，PHA已經(jīng)開始在餐具、食品包裝、3D打印、紡織纖維、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域應(yīng)用，你就會覺得它離我們的生活并不遙遠。
“PHA即聚羥基脂肪酸酯材料家族，是從細胞里長出的新材料。它在自然界可完全降解，無毒無害。”日前接受科技日報記者采訪時，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授、合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國強這樣介紹。
早在30年前，陳國強就認(rèn)定PHA是未來綠色材料的方向，并義無反顧地走上生物制造PHA的研發(fā)之路。“這是一個不斷試錯的過程，我們一次又一次碰壁，再一次次闖過去。”他說。
解決“染菌”之痛
為了減少石油基塑料使用，避免造成更多的白色污染，科研人員一直在尋找可降解的替代材料。生物制造，就是公認(rèn)的替代材料生產(chǎn)路徑之一。
“生物制造，顧名思義，是通過對生物體進行重新設(shè)計和改造，獲得性能優(yōu)良的底盤細胞，再以這些細胞為工廠，制造出人類需要的各類材料。”陳國強告訴記者。
在諸多的生物材料中，PHA具有生物相容性、熱塑性、可降解等優(yōu)勢?；诖饲皵?shù)年的探索與實踐，1994年，在國外做完博士后研究的陳國強來到清華大學(xué)，組建團隊，潛心研究如何實現(xiàn)PHA量產(chǎn)。
“在實驗室，很多問題不容易暴露。而在工廠，規(guī)模一放大，問題就都來了。”陳國強發(fā)現(xiàn)，首當(dāng)其沖的難題是“染菌”——在培養(yǎng)微生物細胞過程中，其他菌類微生物會伴隨其一起生長。
一旦微生物細胞“染菌”，整個發(fā)酵過程就得從頭再來，損失巨大。而要想防止細胞被感染，就必須進行嚴(yán)格的無菌操作，對設(shè)備、人員要求苛刻，能耗也高。
“我們嘗試了很多種微生物，都無法解決這個問題。”陳國強回憶說，直到一次偶然的機會，他想到了極端微生物。
極端微生物一般生長在普通微生物很難存活的極端環(huán)境中，不會輕易被其他微生物感染。有了它，PHA生產(chǎn)過程可以相對開放，無需采取復(fù)雜繁瑣的滅菌操作。
于是，陳國強將目光投向了難以“染菌”的嗜鹽微生物。
很遺憾，團隊成員跑遍多地尋找，均無功而返。直到2006年，在一個緯度低、晝夜溫差大、鹽度比海水還高的鹽湖中取回的土樣中，他們終于分離出了兼具耐鹽和快速生長特性的菌株，這便是嗜鹽菌。
構(gòu)造“底盤”之基
合適的菌株有了，構(gòu)造出底盤細胞成為實現(xiàn)生物制造的關(guān)鍵。
“底盤細胞在發(fā)酵過程中，能夠?qū)⑵咸烟?、淀粉、植物油等可再生生物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為PHA。”陳國強打比方說，“它們好比工廠里的機器，可以源源不斷地生產(chǎn)出我們需要的高分子材料。”
要想獲得底盤細胞，就必須對嗜鹽菌基因進行拆卸、組裝。新的問題隨之而來——嗜鹽菌太特殊了，缺乏現(xiàn)成的分子操作工具。
“‘分子手術(shù)刀’‘分子縫合針’‘分子運輸車’都是必備工具。”陳國強解釋道，“它們分別負(fù)責(zé)對微生物基因?qū)嵤┣懈?、重組、運輸。”
沒有工具，嗜鹽菌猶如一個“黑匣子”，能看，不能用。
質(zhì)粒載體是常用的“分子運輸車”，負(fù)責(zé)將重組后的基因?qū)胧荏w細胞。“僅這一種工具，就耗費了我們大量精力。”陳國強告訴記者，團隊先后嘗試了數(shù)百種現(xiàn)有的質(zhì)粒，都不成功。
怎么辦？只有擴大范圍，尋找新的質(zhì)粒。經(jīng)過不懈努力，大家又篩選出具有潛力的兩百多個質(zhì)粒，一一試驗，終于迎來轉(zhuǎn)折——有3個能用！
質(zhì)粒有了，微生物基因改造的“黑匣子”打開了。
在此基礎(chǔ)上，團隊又開發(fā)出一系列基因編輯、代謝調(diào)控、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工具，可以從不同層面來修飾、調(diào)控底盤細胞的性能。
開發(fā)分子操作工具，研發(fā)團隊用了整整十年。“這個過程很痛苦。”陳國強坦言，成功的秘訣是信念與堅持。
終于，底盤細胞被團隊構(gòu)造了出來。
“接下來是生產(chǎn)驗證，我們又用了七八年時間，先后闖過了發(fā)酵工藝提升、細菌形態(tài)改造、材料分離提取等難關(guān)，跨越了工業(yè)放大‘死亡谷’。”團隊成員、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副研究員吳赴清介紹。
踩實“轉(zhuǎn)化”之路
工業(yè)放大攻堅期間，2018年，陳國強在國際上首次提出“下一代工業(yè)生物技術(shù)”，并在“小試”“中試”與規(guī)模化生產(chǎn)中得到驗證。
但這并不代表此項技術(shù)就能獲得企業(yè)的認(rèn)可。團隊面臨著新的關(guān)卡——成果轉(zhuǎn)化。
“‘下一代工業(yè)生物技術(shù)’利用無需滅菌的連續(xù)發(fā)酵體系進行生產(chǎn)，具有開放式、高效率、低能耗和節(jié)約水資源等優(yōu)點，是傳統(tǒng)生物制造技術(shù)的2.0升級版本。”吳赴清說，這些顛覆性特點，反而讓傳統(tǒng)發(fā)酵企業(yè)顧慮重重。
“一直以來，都要嚴(yán)格密封、高溫滅菌，你說不用就不用了？”有的企業(yè)甚至覺得研發(fā)團隊是在“忽悠”。
幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，團隊終于找到一家愿意嘗試的大型發(fā)酵企業(yè)。為了打消對方顧慮，發(fā)酵測試就在企業(yè)現(xiàn)場進行。
200立方發(fā)酵罐，第一次測試，成功！
對方工程師懷疑：是不是有“運氣”因素？那就再來一次，還是成功！合作隨之順利達成。
2021年，成果轉(zhuǎn)化企業(yè)——北京微構(gòu)工場生物技術(shù)有限公司（以下簡稱“微構(gòu)工場”）成立，產(chǎn)業(yè)化步入快車道。
“公司成立后，在市場的牽引下，實驗室科研進展全面提速。”微構(gòu)工場副總裁歐陽鵬飛說，“以前，菌種9年迭代3代；最近幾年，1年就迭代3代；今年，有望迭代4到5代。”
迭代讓菌株有了更好性能，讓產(chǎn)業(yè)化落地有了更堅實的基礎(chǔ)。
年產(chǎn)千噸的智能生產(chǎn)示范線在北京順義建成，年產(chǎn)3萬噸的生產(chǎn)基地在湖北宜昌設(shè)立……“我們還聯(lián)合川寧生物推進醫(yī)療級PHA產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在安徽合肥建設(shè)‘燈塔工廠’探索各類應(yīng)用場景。”歐陽鵬飛介紹。
2023年，基于嗜鹽菌的開發(fā)利用和“下一代工業(yè)生物技術(shù)”對業(yè)界的貢獻，國際代謝工程學(xué)會授予陳國強“國際代謝工程獎”。如今，相關(guān)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物制造的開放式生產(chǎn)中。
在最近召開的全國科技大會、國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會、兩院院士大會上，習(xí)近平總書記強調(diào)，要瞄準(zhǔn)未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點，加快新一代信息技術(shù)、人工智能、量子科技、生物科技、新能源、新材料等領(lǐng)域科技創(chuàng)新，培育發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)。
面向未來，陳國強信心滿懷：“我們將扎實推進科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，持續(xù)提高PHA產(chǎn)業(yè)化水平，為我國實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)和綠色發(fā)展貢獻力量！”
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-2-9192-0.html我國首創(chuàng)“下一代工業(yè)生物技術(shù)（生物制造2.0）”研發(fā)應(yīng)用始末
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