实现国际代谢工程大奖中国得主零突破，清华学者提出下一代工业生物技术，广泛应用于多种高值领域

3 月 24 日，清华大学生命科学学院、化工系教授、合成与系统生物学中心主任陈国强获得国际代谢工程大奖（图 1）。

        

图 ｜1 陈国强教授获得国际代谢工程大奖（来源：国际代谢工程学会官网）

         

本次奖项旨在嘉奖他的原创技术：基于嗜极端微生物的“下一代工业生物技术”（Next-generation industrial biotechnology，缩写为 NGIB）。对于获奖陈国强表示：“非常荣幸能获得这个领域的大奖。很多同行们的工作成果都不错，可能是因为我们团队做得时间比较久，成果也比较有特色吧。国际同行们对我们工作的认可，我们团队对此非常高兴”

据了解，国际代谢工程奖——由国际权威学术组织国际代谢工程学会（IMES）发起，每两年授予一位在代谢工程领域做出卓越贡献的科学家（图 2）。

图 ｜2 往届国际代谢工程奖得主（来源：国际代谢工程学会官网）

         

基于极端微生物的“下一代工业生物技术”是陈国强最具标志性的工作，在全球范围内这一概念由他率先提出，并被首次用于工业化实验，是少有的从学术论文走向工业大规模生产的科研成果。该技术目前已经被用于生产聚羟基脂肪酸酯（PHA，polyhydroxyalkanoates）材料。 更多的应用正在不断发展出来。

目前，陈国强的论文已被引用两万五千多次，H 指数 77（Web of Science）。

2011 年，他发表了第一篇关于嗜盐菌开放无灭菌的“下一代工业生物技术”的论文，并基于该技术实现了嗜盐菌开放性连续的培养。接着他又耗时十年左右，建立了分子操作工具和实验方法，让嗜盐菌可以通过各种分子手段实现合成生物学改造。这一系列的原创性成果，也成为了其他国内外同行的跟踪和学习对象（图 3）。

图｜3 陈国强教授由于下一代工业生物技术以及 PHA 的研究成为国内生物学的领军人物（全球学者库 2022 全球学者学术影响力排行榜）（https://c.m.163.com/news/a/I0CGRVPN0552GRMJ.htmlspss=newsapp_qrcode&spssid=e8b674dd8b3942daadf024f5c87f3a03&spsw=6&isFromH5Share=article）

“下一代工业生物技术”先进在哪里？

既然命名为“下一代工业生物技术”，那么它和上一代的区别是什么？据陈国强介绍，上一代工业生物技术使用传统的微生物底盘，比如借助大肠杆菌、谷棒杆菌、酵母、芽孢杆菌等微生物进行生产（表 1）。这些微生物一般生长在比较温和的环境，即中性或略带酸性的营养丰富的环境里。但是，由于在传统底盘微生物的培养过程中，其他微生物也能生长和增殖，所以环境很容易受到其他微生物的感染。为了防止这些感染，就需要做非常严格的无菌操作，包括对发酵反应器进行高温灭菌、空气输送的无菌过滤等。而在高压高温下会产生大量蒸汽，会导致巨大的能量消耗。同时，为了防止污染物进入环境，还得在操作上严格培训，加大了生物制造过程对复杂性和制造成本。

而“下一代工业生物技术”所使用的嗜盐菌，能快速生长于碱性和高渗透压强的环境之下，它不会被其他微生物感染，自然也就无需采取非常复杂的微生物感染防护措施。这样一来，在一个相对开放的条件下，微生物就可以自由地增长，从而省去无菌操作、高温高压灭菌等步骤，进而也让设备密封性的严苛要求得到“松绑”。这不仅能让实验人员获得一定程度的劳动力解放，也能提高制备工艺的经济性。另外，期间产生的废水相对更少，而且还能进行循环使用。概括来说，“下一代工业生物技术”兼具节能、节水、工艺简单、设备简单、操作简单、经济性高等优势（表 1）。而生物材料聚羟基脂肪酸酯 PHA，则是“下一代工业生物技术”的典型应用案例。

表 1  嗜盐微生物底盘细胞与其他底盘细胞的对照

比较内容	嗜盐微生物底盘细胞	其他底盘细胞
用水	海水	淡水
碳源	常规碳源、厨余垃圾、秸秆等	各种糖类、脂肪酸等
灭菌/耗能	不需要灭菌/耗能小	需要灭菌/耗能大
是否易染菌	否	是
生长条件	灵活	苛刻
生长速度	快	快慢都有
发酵方式	可以连续发酵	很难连续发酵
产品数量	多种产物	单一产物
产品位置	胞内和胞外	胞内或胞外
发酵过程控制	容易自动控制	比较难自动控制
废水处理	废水可循环利用	废水不可循环利用
菌株遗传背景/代谢情况	不清晰	清晰
菌株基因编辑	困难	简便

         

PHA 材料：如何造？怎么用？

在 PHA 的具体生产中，首先要进行接种，然后进行大规模的培养。接着，采用形态学工程的方法改变微生物的形状从而实现离心分离，有了这一步便可以省去传统工艺里的复杂步骤。然后便是破壁，即把颗粒从细胞里释放出来，接下来进行洗涤和喷雾干燥，从而提炼出 PHA 材料的原料（以粉状形式存在）。

而在制备化妆品中的四氢嘧啶、尼龙的单体物 5-羟基戊酸和四氢嘧啶时，在生产工艺上还会使用小分子分离纯化技术。总体而言，不同生物产品的下游工艺有所不同，但是上游培养过程由于采用大致相同。

PHA 材料的应用具体可分为低端、中端和高端。在低端材料上，PHA 可用于制备环保型塑料包装、可降解农膜、可降解吸管等，旨在保护环境不受塑料和微塑料的污染。在中端材料上，通过 PHA 能够制备出类似于棉花、丝绸、皮革等材料，从而和羊毛等天然材料混合一起，实现天然材料的性能互补。此前，当人们需要羊毛或者丝绸时，必须通过饲养动物来生产，过程非常缓慢至少需要数月之久。而 PHA 材料可以轻易实现大规模的制造，几天之内可以生产几千吨该类材料。通过和羊毛、丝绸以及皮革的共混，可以实现一些天然材料所拥有的性能。 

PHA 还可以用于医疗植入材料，以用于软骨破损修复、手术缝线、人工食道、人造血管、心血管支架等。在高端材料上，PHA 材料还能造出对纯度要求较高的  3D 打印材料和光刻胶等。

另据悉，PHA 材料降解单体-酮体-D-3-羟基丁酸也能用于治疗骨质疏松症和老年痴呆症。PHA 的降解产物之一是 3-羟基丁酸，它是一种酮体。所谓酮体，就是脂肪酸在肝组织氧化后降解，最后得到的产物。3-羟基丁酸也是人体能量的一种方式，就像葡萄糖一样可以给人体输送能量。尤其是当大脑缺氧时，3-羟基丁酸会代替葡萄糖，从而变成大脑的能量。此前，学界发现 3-羟基丁酸能对骨质疏松和肌肉萎缩起到治疗作用。举例来说，当一名位于太空的宇航员要做运动时，通过使用 3-羟基丁酸，就可能延缓骨质疏松和肌肉萎缩的发生。

目前，陈国强正在对 PHA 材料进行迭代。PHA 是一个材料家族，拥有很多不同的结构。要想让这些结构发挥作用，就要对微生物基因进行重新编辑、以及通过植入合成代谢通路来造出不同材料。这些材料的结构和性能也不尽相同，比如有的具有弹性、有的具有刚性、有的是透明材料、有的是分子量超高的高强度材料，或分子量超低的添加剂材料。除此之外，还可以对“下一代工业生物技术”的嗜盐菌实施基因操作，借此让其合成小分子胞外产物，比如尼龙单体、3-羟基丙酸（吸水材料单体）、5-氨基戊酸等，进而造出更多材料甚至是化妆品的小分子（图 4）。

图 ｜4 合成生物学企业微构工场、微琪生物、安琪酵母、麦得发、中粮生化等已应用最新的 NGIB 技术，进行规模化生物制造（来源：资料图） 

当合成生物学快速起来之后

这几年，合成生物学快速发展起来，解决了生物技术很难拿到资金做成果转化的难题。陈国强和团队原先做的是原创研究，既需要长期的积累，也需要不断的纠错和资金支持。因此在之前，仅有国家部门愿意提供支持，很多成果始终停留在学术阶段。

合成生物学浪潮的兴起，也让资本进来参与，这给实验室研究提供了工业放大的机会，让他可以在产学研的融合中，不断地发现问题、解决问题，最后让论文成果“从书架走上货架”。

一般来说，当在实验室完成菌种编辑之后，陈国强会把它们送到产业，看是否可以生成所预想的结果。第一次就能在工厂里验证结果，自然是最理想的状态。但是，如果不行就会把菌种送回学校“回炉重造”。依靠这一流程，他已经让相关的嗜盐菌菌株实现了连续 20 多代迭代。

而对于当下合成生物学备受关注的底层原因，陈国强认为一方面在于一些成功案例的出炉，为人们描绘了更大的想象空间。比如，一个细胞竟然能像工程一样进行重新组装和编辑。而基本上所有和生命相关的产物，都是通过代谢通路上的基因来进行编码。这意味着我们可以针对一个产物的合成路径进行编码，然后把它植入到微生物体系里进行发酵和生产。对于此前既复杂、又不环保的化工制造手段来说，合成生物学手段有着颠覆性的意义。

具体来说，陈国强发现在 PHA 材料的生产过程里，当采用高密度培养法时，高压空气的输入很容易引起其他非生产菌的感染。而利用合成生物的方法，通过编辑微生物、发展高效生物反应器，或采用“下一代工业生物技术”，就可以避免上述问题。

事实上，也正是在 PHA 材料的研发过程中，陈国强才发展了“下一代工业生物技术”。后来，他发现该技术能用于多种产品的发酵和生产。

而这项技术也和中国合成生物学以及生物制造领域的国家战略有所契合。国家战略指出，要通过减碳等环保技术来生产材料、小分子、药品和化学品。而这类技术刚好涉及到合成生物，即通过基因编辑来改造微生物，从而在常温常压下造出燃料、材料和药品。

整体来看，中国发展合成生物产业的优势在于拥有大量的发酵能力。目前，中国的发酵规模占全世界的 70%。在具有自主知识产权的底盘细胞上，中国还需要增强自主研发和自主改造的能力。尽管全球 70% 的发酵能力诞生在中国。但是，在使用发酵方法来制备氨基酸、抗生素和化妆品时，大家使用的工艺和菌种基本一样，只是规模大小有所不同而已。

“所以这次我们的‘下一代工业生物技术’的得奖？也是因为这项技术以及它所发展出来的多代细胞均具有原创性，这种从头到尾的原创，也是我们得奖的一个理由。”陈国强说。

围绕“下一代工业生物技术”，陈国强主要研究 PHA 新材料的生产。而由于嗜盐菌的底盘可以编辑生成很多种产物，因此他打算把实验室里的一些新成果，继续放大到工业生成里。当下，已有十余种小分子被生产出来了，也列入他的转化计划里。后续，当使用嗜盐菌底盘细胞可以生产更多的小分子甚至化学品时，就能能促进生物制造在多领域的产业发展。

从“小幸运”到大趋势

         

尽管现在研究合成生物学和生物制造，但在早年读书期间，陈国强最初学的是有机合成专业。本科时，他曾尝试合成过尼龙 66（聚己二酰己二胺）。这是一个既复杂、又危险的过程，期间要和有机溶剂打交道。哪怕只有一点点的压力、一点点的温度，就会引起起火爆炸。

而且，有机溶剂的味道非常刺鼻，一旦从实验室溢出还会造成环境污染。陈国强说：“我当时合成尼龙 66 回到宿舍之后，浑身都是有机溶剂的味道。当年的宿舍都是八个人住一间，但我身上的味道实在难闻，只能在外面换了衣服再进去。但是，换了衣服之后还是有味道，因为头发也吸收有有机溶剂。另外，实验操作时一不小心，起火和燃烧也是常有的事。”

陈国强在早年出国读博时发现，在水里让微生物聚合也可以做出高分子材料，而且制备条件更简单、更安全，温度只需要 30 多摄氏度，压强上只需要大气压即可，反应全称几乎毫无异味。

当时还是学生的陈国强意识到，这可能会成为未来的发展趋势。相比化工合成，尽管生物合成的效率虽然比不上前者，但是它的安全性以及环保是化工合成远远无法比拟的。

不久后，他决定转做生物合成——也就是现在的合成生物学。冥冥之中，在时代趋势的大背景之下这也让陈国强感到了一丝幸运。

作为一名科学家，陈国强无疑是优秀的。但在教书育人上，他也是可圈可点的。谈及连续六年获得清华“良师益友”称号，陈国强表示这是学生投票选出的。博士生，是他日常的主要相处对象。在任何地方做博士研究都不容易，因为都是在解决一个前人没有攻克的难题。做实验时，失败算是常态。这时学生就会伤心或抱怨，甚至有时想退学。而陈国强的做法是陪伴学生，分析失败的原因，一起找到解决方案，从而不会让他们感觉孤立无助。清华校训有言：“自强不息，厚德载物。”在陈国强的科研生涯里，自强让他得以提出原创性技术，厚德则成就了他和学生亦师亦友的美好关系。如果说科研成果和师生关系更多“囿于”清华校园之间，而 “下一代工业生物技术”则有望让制造更加绿色。

参考文献

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