當(dāng)前，我國(guó)正在加速由發(fā)酵工業(yè)大國(guó)向發(fā)酵強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，以合成生物學(xué)及高通量自動(dòng)化篩選進(jìn)化為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)正越來(lái)越顯示出其在菌種改良上的魅力，越來(lái)越多領(lǐng)域突破合成生物制造的技術(shù)難關(guān)，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)階段。近日，在科技部生物中心組織開(kāi)展的“綠色生物制造”重點(diǎn)專項(xiàng)2020年度申報(bào)項(xiàng)目答辯評(píng)審中，6大任務(wù)之一的“生物制造工業(yè)菌種構(gòu)建”，受到業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注。

“工業(yè)菌種是生物制造產(chǎn)業(yè)看不見(jiàn)的‘芯片’，是完成生物制造過(guò)程的核心。擁有一個(gè)菌種，就擁有一個(gè)產(chǎn)品，擁有一個(gè)先進(jìn)菌種，就占領(lǐng)一個(gè)市場(chǎng)。” 北京化工大學(xué)生命學(xué)院博士生導(dǎo)師、教授陳必強(qiáng)7月24日接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，我國(guó)要努力在生物制造新一輪發(fā)展中抓住科技創(chuàng)新機(jī)遇，掌握新一代工業(yè)菌種的主動(dòng)權(quán)，提升我國(guó)生物制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，跑出“加速度”。

生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開(kāi)工業(yè)菌種

一般來(lái)說(shuō)，用于發(fā)酵或在催化轉(zhuǎn)化過(guò)程中作為活細(xì)胞催化劑的微生物都被稱為菌種，應(yīng)用于工業(yè)用途的菌種則被稱為工業(yè)菌種。比如谷氨酸棒桿菌就是重要的工業(yè)發(fā)酵菌種，它被用于我們熟悉的調(diào)味料味精(谷氨酸鈉)的生產(chǎn)。

我國(guó)在20世紀(jì)五六十年代就有比較成熟的工業(yè)菌種育種技術(shù)和生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)。近十幾年來(lái)，我國(guó)工業(yè)菌種支撐的現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛。”陳必強(qiáng)說(shuō)，如今我國(guó)的檸檬酸、味精、山梨醇、酵母等產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)工藝已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

“我國(guó)生物基材料單體與聚合物產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，形成以可再生資源為原料的生物材料單體的制備、生物基樹(shù)脂合成、生物基樹(shù)脂改性與復(fù)合、生物基材料應(yīng)用為主的生物基材料產(chǎn)業(yè)鏈。”陳必強(qiáng)介紹，我國(guó)已建成世界最大的年產(chǎn)2萬(wàn)噸生物基丁二酸的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，以及年產(chǎn)1萬(wàn)噸的高光學(xué)純度D-乳酸生產(chǎn)線，聚羥基脂肪酸酯(PHA)年總產(chǎn)能超過(guò)2萬(wàn)噸，產(chǎn)品類型和產(chǎn)量國(guó)際領(lǐng)先。而生物基材料的產(chǎn)業(yè)化離不開(kāi)高效的工業(yè)菌研發(fā)。

“越來(lái)越多的精細(xì)化學(xué)品與醫(yī)藥化學(xué)品突破合成生物制造的技術(shù)難關(guān)，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)階段。”陳必強(qiáng)舉例說(shuō)，比如浙江震元制藥有限公司與中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所合作，通過(guò)途徑構(gòu)建與優(yōu)化改造獲得遺傳穩(wěn)定的高效大腸桿菌細(xì)胞工廠，以葡萄糖原料發(fā)酵獲得左旋多巴，其生產(chǎn)成本與化學(xué)法相比降低50%以上。

此外，工業(yè)生物技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，快速將細(xì)胞變成“新工廠”，使我國(guó)在抗生素、維生素、生長(zhǎng)素、氨基酸、人造肉等高端發(fā)酵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上取得重大突破，成為未來(lái)產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展的關(guān)鍵。

新技術(shù)助力菌種改造更高效、更精準(zhǔn)

我國(guó)現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)的突飛猛進(jìn)，得益于近十幾年來(lái)我國(guó)工業(yè)菌種應(yīng)用的“加速度”，而這與我國(guó)在工業(yè)菌種領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新能力的提高是分不開(kāi)的。我國(guó)已經(jīng)可以研發(fā)出更優(yōu)秀的工業(yè)菌種，同時(shí)開(kāi)發(fā)出與之配套的生產(chǎn)工藝，這些都促進(jìn)了工業(yè)菌種在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

比如工業(yè)菌種傳統(tǒng)的(經(jīng)典的)誘變—篩選技術(shù)，20世紀(jì)70年代多使用紫外線照射這種物理方法以及誘變劑這種化學(xué)方法來(lái)使菌種產(chǎn)生基因突變。“使用這兩種方法進(jìn)行誘變，菌種的基因突變完全不可控，很多誘變后的菌種不僅性能沒(méi)有變好，甚至走向了相反的方向。”陳必強(qiáng)告訴記者，在這種情況下，為了篩選出性能優(yōu)良的菌種就只能通過(guò)“海選”——增加誘變細(xì)胞的基數(shù)。而當(dāng)時(shí)篩選完全靠人工，每個(gè)人一天只能篩選評(píng)價(jià)十幾個(gè)細(xì)胞。這種篩選速度、數(shù)量無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

近些年，我國(guó)工業(yè)菌種育種技術(shù)取得了很多創(chuàng)新和突破。“對(duì)比傳統(tǒng)的誘變—篩選技術(shù)，創(chuàng)新技術(shù)的篩選效率比原來(lái)有了成千上萬(wàn)倍的提升。”陳必強(qiáng)說(shuō)，這就像導(dǎo)演挑選演員，有的角色需要擅長(zhǎng)唱歌的人，有的需要擅長(zhǎng)跳舞的人，得保證一定量的基數(shù)，才能挑選出滿足各種各樣需求的演員。但原來(lái)由于篩選技術(shù)落后，導(dǎo)致這種“海選”的效率低、效果差。現(xiàn)在有了高通量自動(dòng)化篩選設(shè)備，比如使用流式細(xì)胞儀，上億個(gè)細(xì)胞一個(gè)多小時(shí)就可以篩選完。

“在菌種的進(jìn)化過(guò)程中，我們也可以進(jìn)行‘定向培養(yǎng)’。”陳必強(qiáng)介紹，在實(shí)驗(yàn)室里，給菌種設(shè)置特殊的條件，通過(guò)設(shè)計(jì)好的巧妙模型引導(dǎo)菌種的進(jìn)化過(guò)程，用高科技的生物技術(shù)方式，使進(jìn)化速度加快，并且朝著我們?cè)O(shè)計(jì)好的方向進(jìn)化。

隨著基因技術(shù)的飛速發(fā)展，菌種改造技術(shù)還可以根據(jù)需求，設(shè)計(jì)出各種不同性能的工業(yè)菌種，解決誘變—篩選技術(shù)中誘變環(huán)節(jié)的不精準(zhǔn)性問(wèn)題。

增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力讓菌種資源自主可控

“微生物戰(zhàn)略資源短缺嚴(yán)重制約我國(guó)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國(guó)益生菌產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超500億元，占全球產(chǎn)值的17%，而核心菌種自主率不足10%。”中國(guó)工程院院士、廣東省科學(xué)院微生物研究所名譽(yù)所長(zhǎng)吳清平不久前表示。

陳必強(qiáng)對(duì)此也表示了同樣的擔(dān)憂：“我國(guó)生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)全球規(guī)模第一、影響廣泛，但數(shù)千億規(guī)模產(chǎn)業(yè)的核心關(guān)鍵——工業(yè)菌種大部分被國(guó)外企業(yè)掌控。”

“工業(yè)菌種和工業(yè)酶是生物制造的核心，加強(qiáng)核心工業(yè)菌種的創(chuàng)制是保障生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和具備市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。”陳必強(qiáng)認(rèn)為，我國(guó)工業(yè)菌種和工業(yè)酶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)受制于人，對(duì)國(guó)內(nèi)生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)內(nèi)企業(yè)參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)說(shuō)，猶如有鯁在喉，對(duì)我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展也造成了極大威脅。

“在以合成生物學(xué)為代表的生物技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，生物制造產(chǎn)業(yè)被發(fā)達(dá)國(guó)家一致列為新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，如何提升我國(guó)生物制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力成為擺在我們面前的重要任務(wù)。”陳必強(qiáng)認(rèn)為，下一步我國(guó)應(yīng)該在解決工業(yè)菌種設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理論和技術(shù)難題、工業(yè)菌種應(yīng)用核心支撐能力等方面下功夫，這其中包括建立生物合成代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機(jī)制，建成各類生物標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)、工業(yè)菌種庫(kù)等。

“此外，目前我國(guó)對(duì)基因工程菌種制造的新產(chǎn)品準(zhǔn)入的審批標(biāo)準(zhǔn)透明度較低，審批速度慢，一些新產(chǎn)品的審批過(guò)程長(zhǎng)期擱置，延緩了升級(jí)產(chǎn)品為消費(fèi)者所用的時(shí)間，也影響了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的進(jìn)程。”陳必強(qiáng)舉例，比如通過(guò)生物法合成人參苷、冬蟲(chóng)夏草成分、蝦青素等珍稀天然動(dòng)植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，深受消費(fèi)者親睞，具有較高的市場(chǎng)價(jià)值，技術(shù)雖早有突破，但審批進(jìn)程緩慢。因此完善和加速新菌種、新產(chǎn)品的準(zhǔn)入機(jī)制和流程也是目前需要解決的問(wèn)題之一。(陳曦)