30年,PHA走向产业化

2024-08-25 10:56:20 来源:光明网 阅读量:

  【创新故事】

  ◎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。

  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。

  “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!”

责任编辑:阿虎

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