作者:喻思南 来源:人民日报 发布时间:2022/4/11 10:03:03
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37年把冷板凳坐热,清华大学教授陈国强团队——
开拓生物制造技术新方向

 

在可降解的生物材料研发上摸索了37年的清华大学教授、合成与系统生物学中心主任陈国强,最近终于眉头舒展:“这次接近看到曙光了。”

为减少不易降解的石化塑料造成的白色污染,科学家一直在寻找可降解材料,生物制造是路径之一。在诸多生物材料中,PHA(聚羟基脂肪酸酯)这一类材料家族,有全过程在水里合成、完全降解、动物可食用等优势,被寄予厚望。上世纪90年代,工业界试图大规模生产时,却遇到成本高、能耗高等难题。相比成熟的化工制造,生物制造PHA材料实在没有竞争力。

从80年代开始,陈国强就在做PHA研究。PHA大规模产业化被认为难以走通时,相关研究迅速降温,有观点认为:作为大宗材料,PHA没有前途。靠着从国家自然科学基金委员会和产业界争取到的资助,陈国强继续研究生物制造技术。“我坚信这是未来发展方向,咬着牙也要把它做下去。”陈国强告诉记者。其间,在科技部有关课题的持续支持下,他探索出了可行的PHA规模化生产方法,但受制于制造成本、复杂的生产流程等,实际应用的范围很小。

生物制造成本居高不下,重要原因是反应过程消耗大量淡水和能量,生产工艺复杂、设备投资巨大,生产过程中出错(染菌)率很高。能不能用海水来替代淡水?实现这一设想,前提是找到适合海水的菌种。2003年,陈国强团队得知新疆有个艾丁湖,这是一个由于酷热、干燥的气候形成的内陆咸水湖。经过多次实地土壤筛选,他们惊喜地发现,两株细菌具有高度耐盐以及快速生长的特性,且不易被其他微生物感染。这正是团队苦苦寻找的理想工业微生物菌株。

但这些嗜盐菌能否充当新一代生物制造的底盘细胞?陈国强带领团队利用合成生物学和代谢工程学方法,改造出适应能力更强、生长速度更快的菌株,并从科学上验证:基于嗜盐菌发展“下一代工业生物技术”进行制造不仅可行,而且相比上一代技术有巨大提升。2011年,陈国强团队发表的论文引起行业广泛关注,多个国际科学团队和企业纷纷跟进。沉寂多年的PHA研究,包括使用极端细菌的工业过程,成为生物制造的新热点。

从实验室走向工业化,没人清楚能否走得通。在国家多个科技项目支持下,陈国强开始了另一场远征——规模化生产技术验证。又攻关近10年,他带领团队基于嗜盐菌构建了生物制造的系列核心技术平台,解决了发酵生产中高耗能、易染菌、过程复杂、产物难提取、生产成本高等难题。无论基础研究还是工程化实现,该团队如今都走在全球前列。

“科学研究就像一场冒险,一路走来,我是幸运儿。”陈国强感慨,“37年科研生涯中,走过的弯路很多,失败探索远多于成功。走到现在,源于自己坚信:任何一个研究方向往深处钻研一定会有新发现。”

2021年10月,他带领团队完成200吨发酵罐的PHA开放生产。利用得到的PHA,他们与多个兄弟单位合作,成功制成纤维纺织品、可降解农膜、管材、3D打印材料、医用无纺布以及发光材料等。在合成生物学和“下一代工业生物技术”制造PHA生物塑料的道路上,陈国强团队使我国处于世界领先的水平。“看到下一代生物制造从梦想变成现实,我感到一切付出都值得!”

 
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