特稿丨我国首创！这一技术，成功跨越“死亡谷”→

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2024-07-18 04:07

◎ 科技日报记者张盖伦

提起PHA，你也许会觉得陌生。

但如果告诉你，PHA已经开始在餐具、食品包装、3D打印、纺织纤维、医疗器械等诸多领域应用，你就会觉得它离我们的生活并不遥远。

“PHA即聚羟基脂肪酸酯材料家族，是从细胞里长出的新材料。它在自然界可完全降解，无毒无害。”日前接受科技日报记者采访时，清华大学生命科学学院教授、合成与系统生物学中心主任陈国强这样介绍。

早在30年前，陈国强就认定PHA是未来绿色材料的方向，并义无反顾地走上生物制造PHA的研发之路。“这是一个不断试错的过程，我们一次又一次碰壁，再一次次闯过去。”他说。

陈国强拿着PHA材料制成的3D打印摆件。科技日报记者张盖伦摄

解决“染菌”之痛

为了减少石油基塑料使用，避免造成更多的白色污染，科研人员一直在寻找可降解的替代材料。生物制造，就是公认的替代材料生产路径之一。

“生物制造，顾名思义，是通过对生物体进行重新设计和改造，获得性能优良的底盘细胞，再以这些细胞为工厂，制造出人类需要的各类材料。”陈国强告诉记者。

在诸多的生物材料中，PHA具有生物相容性、热塑性、可降解等优势。基于此前数年的探索与实践，1994年，在国外做完博士后研究的陈国强来到清华大学，组建团队，潜心研究如何实现PHA量产。

PHA材料制成的3D打印摆件。

“在实验室，很多问题不容易暴露。而在工厂，规模一放大，问题就都来了。”陈国强发现，首当其冲的难题是“染菌”——在培养微生物细胞过程中，其他菌类微生物会伴随其一起生长。

一旦微生物细胞“染菌”，整个发酵过程就得从头再来，损失巨大。而要想防止细胞被感染，就必须进行严格的无菌操作，对设备、人员要求苛刻，能耗也高。

“我们尝试了很多种微生物，都无法解决这个问题。”陈国强回忆说，直到一次偶然的机会，他想到了极端微生物。

极端微生物一般生长在普通微生物很难存活的极端环境中，不会轻易被其他微生物感染。有了它，PHA生产过程可以相对开放，无需采取复杂繁琐的灭菌操作。

于是，陈国强将目光投向了难以“染菌”的嗜盐微生物。

很遗憾，团队成员跑遍多地寻找，均无功而返。直到2006年，在一个纬度低、昼夜温差大、盐度比海水还高的盐湖中取回的土样中，他们终于分离出了兼具耐盐和快速生长特性的菌株，这便是嗜盐菌。

构造“底盘”之基

合适的菌株有了，构造出底盘细胞成为实现生物制造的关键。

“底盘细胞在发酵过程中，能够将葡萄糖、淀粉、植物油等可再生生物质，转化为PHA。”陈国强打比方说，“它们好比工厂里的机器，可以源源不断地生产出我们需要的高分子材料。”

要想获得底盘细胞，就必须对嗜盐菌基因进行拆卸、组装。新的问题随之而来——嗜盐菌太特殊了，缺乏现成的分子操作工具。

“‘分子手术刀’‘分子缝合针’‘分子运输车’都是必备工具。”陈国强解释道，“它们分别负责对微生物基因实施切割、重组、运输。”

没有工具，嗜盐菌犹如一个“黑匣子”，能看，不能用。

质粒载体是常用的“分子运输车”，负责将重组后的基因导入受体细胞。“仅这一种工具，就耗费了我们大量精力。”陈国强告诉记者，团队先后尝试了数百种现有的质粒，都不成功。

怎么办？只有扩大范围，寻找新的质粒。经过不懈努力，大家又筛选出具有潜力的两百多个质粒，一一试验，终于迎来转折——有3个能用！

质粒有了，微生物基因改造的“黑匣子”打开了。

在此基础上，团队又开发出一系列基因编辑、代谢调控、网络优化的工具，可以从不同层面来修饰、调控底盘细胞的性能。

开发分子操作工具，研发团队用了整整十年。“这个过程很痛苦。”陈国强坦言，成功的秘诀是信念与坚持。

终于，底盘细胞被团队构造了出来。

“接下来是生产验证，我们又用了七八年时间，先后闯过了发酵工艺提升、细菌形态改造、材料分离提取等难关，跨越了工业放大‘死亡谷’。”团队成员、清华大学生命科学学院副研究员吴赴清介绍。

踩实“转化”之路

工业放大攻坚期间，2018年，陈国强在国际上首次提出“下一代工业生物技术”，并在“小试”“中试”与规模化生产中得到验证。

但这并不代表此项技术就能获得企业的认可。团队面临着新的关卡——成果转化。

“‘下一代工业生物技术’利用无需灭菌的连续发酵体系进行生产，具有开放式、高效率、低能耗和节约水资源等优点，是传统生物制造技术的2.0升级版本。”吴赴清说，这些颠覆性特点，反而让传统发酵企业顾虑重重。

“一直以来，都要严格密封、高温灭菌，你说不用就不用了？”有的企业甚至觉得研发团队是在“忽悠”。

几经辗转，团队终于找到一家愿意尝试的大型发酵企业。为了打消对方顾虑，发酵测试就在企业现场进行。

200立方发酵罐，第一次测试，成功！

对方工程师怀疑：是不是有“运气”因素？那就再来一次，还是成功！合作随之顺利达成。

2021年，成果转化企业——北京微构工场生物技术有限公司（以下简称“微构工场”）成立，产业化步入快车道。

“公司成立后，在市场的牵引下，实验室科研进展全面提速。”微构工场副总裁欧阳鹏飞说，“以前，菌种9年迭代3代；最近几年，1年就迭代3代；今年，有望迭代4到5代。”

迭代让菌株有了更好性能，让产业化落地有了更坚实的基础。

年产千吨的智能生产示范线在北京顺义建成，年产3万吨的生产基地在湖北宜昌设立……“我们还联合川宁生物推进医疗级PHA产业应用，在安徽合肥建设‘灯塔工厂’探索各类应用场景。”欧阳鹏飞介绍。

2023年，基于嗜盐菌的开发利用和“下一代工业生物技术”对业界的贡献，国际代谢工程学会授予陈国强“国际代谢工程奖”。如今，相关技术已被广泛应用于生物制造的开放式生产中。

在最近召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上，习近平总书记强调，要瞄准未来科技和产业发展制高点，加快新一代信息技术、人工智能、量子科技、生物科技、新能源、新材料等领域科技创新，培育发展新兴产业和未来产业。

面向未来，陈国强信心满怀：“我们将扎实推进科技创新和产业创新深度融合，持续提高PHA产业化水平，为我国实现‘双碳’目标和绿色发展贡献力量！”

来源：科技日报文中图片除注明外均由清华大学生命科学学院副研究员吴赴清提供

编辑：王宇

审核：张爽

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来源: qq

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