作者:陈国强 来源:中国科学报 发布时间:2013-1-16
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生物发酵产业的进军方向
 
■陈国强
 
我国拥有世界最大的发酵产业,生产了全球大部分的氨基酸、有机酸、抗生素和维他命等。近年来,我国的发酵产业也延伸到工业产品,包括能源、化工产品以及材料等。
 
由于发酵产业对能源、粮食和水的消耗巨大,该产业未来的发展方向应该向着原料到产品的高转化率、节能及节水的方向发展。对不同的产品,也应该设立不同的节能减排目标。
 
对于我国发酵产业的定位,除了应继续巩固发酵产品最大生产国地位之外,更应该向高端方向发展,实现部分代替石油,生产大宗材料、能源、化工产品等。
 
尽管,这个过程可能是漫长甚至是充满风险的。
 
合成生物学助力
 
我国发展发酵产业应该扩展到利用农业生物质,如纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等为原料,生产材料、能源、化工产品等,逐渐减少对石油的依赖。
 
要想发展生物发酵这一战略性新兴产业,就不得不在技术上作好储备。
 
目前,我国的发酵产业在硬件方面已经达到很高的水平,因此,解决节能减排的工作重点应该放在菌种的改良上。
 
合成生物学提出的方法,则是对现有生产菌种根本性的改造,包括代谢通路的重构、基因组的改造和全细胞的改造。
 
总的来说,发展发酵产业的目的就是要构建一个逐渐可以与化工过程相竞争的工业生物产业。
 
提高菌种效率是关键
 
如上所述,发酵产业需解决的关键科学问题是菌种的效率等。例如如何使微生物细胞更快地生长、如何实现跨种属染色体在一个细胞内共存、如何解除微生物总体调控等。(详见图表)
 
可以说,上述菌种的改造工作,事实上也是合成生物学正在研究的题目。其中,复合功能微生物的构建是重要方向。希望因此获得一个能快速生长、能进行多种基因整合、抗染菌、允许多个染色体在细胞中共存,从而获得多种性能,能生产多种产品的微生物制造平台菌株。
 
现阶段,菌种改造的工作更为急迫。近期和中期菌种改造研究的重要应用领域包括改造控制生长速度的微生物基因组,使微生物细胞更快地生长;限制细胞群体效应,使发酵能达到更高的密度等。
 
菌种改造研究的应用领域主要包括:
 
改造控制生长速度的微生物基因组,使微生物细胞更快地生长,利用快速生长的微生物菌株生产大宗化工产品,提高生物过程相对于化工过程的竞争性。
 
限制细胞群体效应,使发酵能达到更高的密度,提高生物产品单位时间和单位体积的生产效率。
 
实现跨种属染色体在一个细胞共存,使细胞具有多种功能(特别是利用纤维素快速生长获得目标产物)。
 
开发(发明)一种普适的构建最小基因组微生物底盘的技术,在此基础上整合获得功能性代谢路径,用于可控制造各种生物化工产品;
 
大片段基因的获得和在染色体里的整合和表达技术的开发,解决复杂化合物的微生物发酵生产问题。
 
获得能使多个染色体在一个细胞中共存的机制,实现复合功能微生物的构建,特别是利用纤维素快速生长获得目标产物的复合功能微生物菌株。
 
实现低成本染色体的化学合成,可以低成本地合成优化的生物或化学产物合成途径来进行表达生产。
 
解除微生物总体调控的机制,最大程度地获得目标产物,如材料和能源等。
 
开发制动删除内显子的DNA删除技术,获得新的、快速生长的真核微生物。
 
总之,提高菌种的效率是提高我国发酵产业的关键。
 
开拓先进发酵工艺技术
 
此外,发酵工业具有高耗能、高耗水和不连续、易染菌的缺点,也导致发酵产业成本的增加,减少了其竞争性。
 
未来发酵产业应该向着无高温灭菌、低耗水和连续发酵方向发展,以最终达到节能减排的目的。
 
最近,我国在嗜盐发酵生产生物塑料聚羟基脂肪酸酯(PHA)方面,已经实现了至少两周的开放发酵,使PHA 成为有竞争性产业的步伐又向前迈进了一步。
 
未来,可以利用海水为介质、发掘嗜盐菌在高 pH值、高温和高盐浓度条件下的特点,建立一个能进行无高温灭菌、低耗水(利用海水)和连续发酵的、有竞争性的发酵产业。
 
(作者系清华大学生命科学院微生物实验室教授)
 
《中国科学报》 (2013-01-16 第6版 生物)
 
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