在可降解的生物材料研發上摸索了37年的清華大學教授、合成與系統生物學中心主任陳國強,最近終于眉頭舒展:“這次接近看到曙光了。”
為減少不易降解的石化塑料造成的白色污染,科學家一直在尋找可降解材料,生物制造是路徑之一。在諸多生物材料中,PHA(聚羥基脂肪酸酯)這一類材料家族,有全過程在水里合成、完全降解、動物可食用等優勢,被寄予厚望。上世紀90年代,工業界試圖大規模生產時,卻遇到成本高、能耗高等難題。相比成熟的化工制造,生物制造PHA材料實在沒有競爭力。
從80年代開始,陳國強就在做PHA研究。PHA大規模產業化被認為難以走通時,相關研究迅速降溫,有觀點認為:作為大宗材料,PHA沒有前途。靠著從國家自然科學基金委員會和產業界爭取到的資助,陳國強繼續研究生物制造技術。“我堅信這是未來發展方向,咬著牙也要把它做下去。”陳國強告訴記者。其間,在科技部有關課題的持續支持下,他探索出了可行的PHA規模化生產方法,但受制于制造成本、復雜的生產流程等,實際應用的范圍很小。
生物制造成本居高不下,重要原因是反應過程消耗大量淡水和能量,生產工藝復雜、設備投資巨大,生產過程中出錯(染菌)率很高。能不能用海水來替代淡水?實現這一設想,前提是找到適合海水的菌種。2003年,陳國強團隊得知新疆有個艾丁湖,這是一個由于酷熱、干燥的氣候形成的內陸咸水湖。經過多次實地土壤篩選,他們驚喜地發現,兩株細菌具有高度耐鹽以及快速生長的特性,且不易被其他微生物感染。這正是團隊苦苦尋找的理想工業微生物菌株。
但這些嗜鹽菌能否充當新一代生物制造的底盤細胞?陳國強帶領團隊利用合成生物學和代謝工程學方法,改造出適應能力更強、生長速度更快的菌株,并從科學上驗證:基于嗜鹽菌發展“下一代工業生物技術”進行制造不僅可行,而且相比上一代技術有巨大提升。2011年,陳國強團隊發表的論文引起行業廣泛關注,多個國際科學團隊和企業紛紛跟進。沉寂多年的PHA研究,包括使用極端細菌的工業過程,成為生物制造的新熱點。
從實驗室走向工業化,沒人清楚能否走得通。在國家多個科技項目支持下,陳國強開始了另一場遠征——規模化生產技術驗證。又攻關近10年,他帶領團隊基于嗜鹽菌構建了生物制造的系列核心技術平臺,解決了發酵生產中高耗能、易染菌、過程復雜、產物難提取、生產成本高等難題。無論基礎研究還是工程化實現,該團隊如今都走在全球前列。
“科學研究就像一場冒險,一路走來,我是幸運兒。”陳國強感慨,“37年科研生涯中,走過的彎路很多,失敗探索遠多于成功。走到現在,源于自己堅信:任何一個研究方向往深處鉆研一定會有新發現。”
2021年10月,他帶領團隊完成200噸發酵罐的PHA開放生產。利用得到的PHA,他們與多個兄弟單位合作,成功制成纖維紡織品、可降解農膜、管材、3D打印材料、醫用無紡布以及發光材料等。在合成生物學和“下一代工業生物技術”制造PHA生物塑料的道路上,陳國強團隊使我國處于世界領先的水平。“看到下一代生物制造從夢想變成現實,我感到一切付出都值得!”他說。
來源:人民日報 作者:喻思南
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