當前，我國正在加速由發(fā)酵工業(yè)大國向發(fā)酵強國轉(zhuǎn)變，以合成生物學及高通量自動化篩選進化為核心的現(xiàn)代生物技術正越來越顯示出其在菌種改良上的魅力，越來越多領域突破合成生物制造的技術難關，進入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段。近日，在科技部生物中心組織開展的“綠色生物制造”重點專項2020年度申報項目答辯評審中，6大任務之一的“生物制造工業(yè)菌種構建”，受到業(yè)內(nèi)普遍關注。

“工業(yè)菌種是生物制造產(chǎn)業(yè)看不見的‘芯片’，是完成生物制造過程的核心。擁有一個菌種，就擁有一個產(chǎn)品，擁有一個先進菌種，就占領一個市場。” 北京化工大學生命學院博士生導師、教授陳必強7月24日接受科技日報記者采訪時表示，我國要努力在生物制造新一輪發(fā)展中抓住科技創(chuàng)新機遇，掌握新一代工業(yè)菌種的主動權，提升我國生物制造領域的產(chǎn)業(yè)競爭力，跑出“加速度”。

生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開工業(yè)菌種

一般來說，用于發(fā)酵或在催化轉(zhuǎn)化過程中作為活細胞催化劑的微生物都被稱為菌種，應用于工業(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)。

我國在20世紀五六十年代就有比較成熟的工業(yè)菌種育種技術和生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)。近十幾年來，我國工業(yè)菌種支撐的現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭非常迅猛。”陳必強說，如今我國的檸檬酸、味精、山梨醇、酵母等產(chǎn)品的生產(chǎn)技術工藝已經(jīng)達到國際先進水平。

“我國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、生物基樹脂合成、生物基樹脂改性與復合、生物基材料應用為主的生物基材料產(chǎn)業(yè)鏈。”陳必強介紹，我國已建成世界最大的年產(chǎn)2萬噸生物基丁二酸的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，以及年產(chǎn)1萬噸的高光學純度D-乳酸生產(chǎn)線，聚羥基脂肪酸酯(PHA)年總產(chǎn)能超過2萬噸，產(chǎn)品類型和產(chǎn)量國際領先。而生物基材料的產(chǎn)業(yè)化離不開高效的工業(yè)菌研發(fā)。

“越來越多的精細化學品與醫(yī)藥化學品突破合成生物制造的技術難關，進入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段。”陳必強舉例說，比如浙江震元制藥有限公司與中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所合作，通過途徑構建與優(yōu)化改造獲得遺傳穩(wěn)定的高效大腸桿菌細胞工廠，以葡萄糖原料發(fā)酵獲得左旋多巴，其生產(chǎn)成本與化學法相比降低50%以上。

此外，工業(yè)生物技術的開發(fā)與應用，快速將細胞變成“新工廠”，使我國在抗生素、維生素、生長素、氨基酸、人造肉等高端發(fā)酵產(chǎn)品開發(fā)上取得重大突破，成為未來產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展的關鍵。

新技術助力菌種改造更高效、更精準

我國現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)的突飛猛進，得益于近十幾年來我國工業(yè)菌種應用的“加速度”，而這與我國在工業(yè)菌種領域技術創(chuàng)新能力的提高是分不開的。我國已經(jīng)可以研發(fā)出更優(yōu)秀的工業(yè)菌種，同時開發(fā)出與之配套的生產(chǎn)工藝，這些都促進了工業(yè)菌種在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。

比如工業(yè)菌種傳統(tǒng)的(經(jīng)典的)誘變—篩選技術，20世紀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方法來使菌種產(chǎn)生基因突變。“使用這兩種方法進行誘變，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有變好，甚至走向了相反的方向。”陳必強告訴記者，在這種情況下，為了篩選出性能優(yōu)良的菌種就只能通過“海選”——增加誘變細胞的基數(shù)。而當時篩選完全靠人工，每個人一天只能篩選評價十幾個細胞。這種篩選速度、數(shù)量無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

近些年，我國工業(yè)菌種育種技術取得了很多創(chuàng)新和突破。“對比傳統(tǒng)的誘變—篩選技術，創(chuàng)新技術的篩選效率比原來有了成千上萬倍的提升。”陳必強說，這就像導演挑選演員，有的角色需要擅長唱歌的人，有的需要擅長跳舞的人，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。但原來由于篩選技術落后，導致這種“海選”的效率低、效果差。現(xiàn)在有了高通量自動化篩選設備，比如使用流式細胞儀，上億個細胞一個多小時就可以篩選完。

“在菌種的進化過程中，我們也可以進行‘定向培養(yǎng)’。”陳必強介紹，在實驗室里，給菌種設置特殊的條件，通過設計好的巧妙模型引導菌種的進化過程，用高科技的生物技術方式，使進化速度加快，并且朝著我們設計好的方向進化。

隨著基因技術的飛速發(fā)展，菌種改造技術還可以根據(jù)需求，設計出各種不同性能的工業(yè)菌種，解決誘變—篩選技術中誘變環(huán)節(jié)的不精準性問題。

增強核心競爭力讓菌種資源自主可控

“微生物戰(zhàn)略資源短缺嚴重制約我國微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國益生菌產(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%。”中國工程院院士、廣東省科學院微生物研究所名譽所長吳清平不久前表示。

陳必強對此也表示了同樣的擔憂：“我國生物發(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)的核心關鍵——工業(yè)菌種大部分被國外企業(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)展和具備市場核心競爭力的關鍵。”陳必強認為，我國工業(yè)菌種和工業(yè)酶的知識產(chǎn)權受制于人，對國內(nèi)生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國內(nèi)企業(yè)參與國際市場競爭來說，猶如有鯁在喉，對我國生物產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展也造成了極大威脅。

“在以合成生物學為代表的生物技術迅猛發(fā)展的今天，生物制造產(chǎn)業(yè)被發(fā)達國家一致列為新經(jīng)濟增長點，如何提升我國生物制造領域的產(chǎn)業(yè)競爭力成為擺在我們面前的重要任務。”陳必強認為，下一步我國應該在解決工業(yè)菌種設計的關鍵理論和技術難題、工業(yè)菌種應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)絡的調(diào)控機制，建成各類生物標準元件庫、工業(yè)菌種庫等。

“此外，目前我國對基因工程菌種制造的新產(chǎn)品準入的審批標準透明度較低，審批速度慢，一些新產(chǎn)品的審批過程長期擱置，延緩了升級產(chǎn)品為消費者所用的時間，也影響了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的進程。”陳必強舉例，比如通過生物法合成人參苷、冬蟲夏草成分、蝦青素等珍稀天然動植物營養(yǎng)物質(zhì)，深受消費者親睞，具有較高的市場價值，技術雖早有突破，但審批進程緩慢。因此完善和加速新菌種、新產(chǎn)品的準入機制和流程也是目前需要解決的問題之一。(記者 陳曦)