在可降解的生物材料研發(fā)上摸索了37年的清華大學(xué)教授、合成與系統(tǒng)生物學(xué)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(xué)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(yōu)勢，被寄予厚望。上世紀(jì)90年代，工業(yè)界試圖大規(guī)模生產(chǎn)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(guī)模產(chǎn)業(yè)化被認(rèn)為難以走通時，相關(guān)研究迅速降溫，有觀點認(rèn)為：作為大宗材料，PHA沒有前途。靠著從國家自然科學(xué)基金委員會和產(chǎn)業(yè)界爭取到的資助，陳國強繼續(xù)研究生物制造技術(shù)。“我堅信這是未來發(fā)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(guān)課題的持續(xù)支持下，他探索出了可行的PHA規(guī)模化生產(chǎn)方法，但受制于制造成本、復(fù)雜的生產(chǎn)流程等，實際應(yīng)用的范圍很小。
生物制造成本居高不下，重要原因是反應(yīng)過程消耗大量淡水和能量，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、設(shè)備投資巨大，生產(chǎn)過程中出錯（染菌）率很高。能不能用海水來替代淡水？實現(xiàn)這一設(shè)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(nèi)陸咸水湖。經(jīng)過多次實地土壤篩選，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，兩株細(xì)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(yè)微生物菌株。
但這些嗜鹽菌能否充當(dāng)新一代生物制造的底盤細(xì)胞？陳國強帶領(lǐng)團隊利用合成生物學(xué)和代謝工程學(xué)方法，改造出適應(yīng)能力更強、生長速度更快的菌株，并從科學(xué)上驗證：基于嗜鹽菌發(fā)展“下一代工業(yè)生物技術(shù)”進行制造不僅可行，而且相比上一代技術(shù)有巨大提升。2011年，陳國強團隊發(fā)表的論文引起行業(yè)廣泛關(guān)注，多個國際科學(xué)團隊和企業(yè)紛紛跟進。沉寂多年的PHA研究，包括使用極端細(xì)菌的工業(yè)過程，成為生物制造的新熱點。
從實驗室走向工業(yè)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(yuǎn)征——規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)驗證。又攻關(guān)近10年，他帶領(lǐng)團隊基于嗜鹽菌構(gòu)建了生物制造的系列核心技術(shù)平臺，解決了發(fā)酵生產(chǎn)中高耗能、易染菌、過程復(fù)雜、產(chǎn)物難提取、生產(chǎn)成本高等難題。無論基礎(chǔ)研究還是工程化實現(xiàn)，該團隊如今都走在全球前列。
“科學(xué)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(yuǎn)多于成功。走到現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。”
2021年10月，他帶領(lǐng)團隊完成200噸發(fā)酵罐的PHA開放生產(chǎn)。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(nóng)膜、管材、3D打印材料、醫(yī)用無紡布以及發(fā)光材料等。在合成生物學(xué)和“下一代工業(yè)生物技術(shù)”制造PHA生物塑料的道路上，陳國強團隊使我國處于世界領(lǐng)先的水平。“看到下一代生物制造從夢想變成現(xiàn)實，我感到一切付出都值得！”
標(biāo)簽： 清華大學(xué)
