王一鳴：兩位博士生熬到快退學！中國人終於打破歐美專利封鎖_風聞

“一期年產聚羥基脂肪酸酯（PHA）1萬噸，二期年產量將達到3萬噸，屆時這裏將成為世界上最大的PHA生產基地。”清華大學合成與系統生物學中心主任陳國強向《中國科學報》介紹了由清華大學合成與系統生物學中心孵化的PHA產線項目。近日，該項目已在湖北宜昌正式落地，我國也有了自己的萬噸級PHA產線。

陳國強  受訪者供圖

談及落地宜昌的3萬噸級PHA產線項目意味着什麼，陳國強介紹，目前每年全球PHA產量約為5萬噸，該項目全面投產後，產能將佔全球產量的一半，成為世界上最大的PHA生產基地。而PHA的生產成本也將由每噸5萬元降到3萬元，更具市場競爭力。

全球第一條嗜鹽菌下一代工業生物技術生產線建設進行中。

“在許多生物基材料中，PHA是唯一能完全生物合成、可熱塑加工，並在陸地、海洋和家庭堆肥多場景環境可降解的材料。”陳國強深耕生物合成領域30多年，帶領團隊打破了歐美多年來在生物材料領域生產菌種的專利封鎖，打造了我國第一個擁有自主專利的大規模工業化PHA生產菌種，實現了“菌株-工藝-裝備”全自主流程創新。

打開“特種菌”的“黑匣子”

PHA是一種完全由微生物合成的可生物降解高分子材料，不僅能在自然環境中降解為水和二氧化碳，而且具備生物相容性、對人體無害、可較精準調控力學性能等特性。為解決白色污染問題，全球多國限制塑料的濫用，而PHA是傳統塑料的理想替代品，被譽為“終極生物材料”。

想要生產PHA，首先要找到適合的菌種。

1994年，陳國強學成回國入職清華大學時，國際上普遍採用羅氏真氧菌和大腸桿菌培養PHA材料，但這兩個菌種的核心專利一直掌握在歐美企業手中。

“因為沒有專利，我們要改進菌種可能面臨打官司風險。”陳國強介紹，利用傳統菌種不僅有專利困境，也面臨着培養難度大等問題。“傳統菌種在高密度培養中不穩定，容易染菌，且在大規模發酵時分離提取難度大，導致設備成本高。”

為了破解上述難題，陳國強決定另闢蹊徑尋找屬於自己的菌種。他帶領團隊分析發現，極端環境裏可能有“皮實”的新菌種。於是，他和團隊開始從全國各地的極端環境中尋找。2006年，一份從新疆艾丁湖帶回來的樣本讓陳國強有了驚喜的發現：“我們在艾丁湖緯度最低的地方採集了一些土樣，並分離出非常頑強的微生物。”

艾丁湖是我國新疆吐魯番盆地的內陸鹹水湖，也是世界最酷熱乾燥的地方之一，最熱時地表温度能達到80攝氏度。團隊在這裏找到了極端菌種Halomonas（鹽單胞菌屬）。“這種微生物展現出極強的生命力，其他微生物很難在極端環境下與其競爭，它就像‘特種兵’一樣。”陳國強説。

其他國家專利體系很少覆蓋極端環境微生物的工業應用，特別是嗜鹽菌，但有一些學者認為高鹽環境會腐蝕設備。不過，陳國強團隊發現Halomonas作為嗜鹽菌可在鹼性環境下生長，鹼性環境反而會降低金屬的腐蝕速率。

這個發現讓大家喜出望外，但下一步的基因編輯環節卻讓團隊吃了不少苦頭。

傳統工業微生物已有成熟的基因編輯工具，能輕鬆進行改造。但Halomonas作為新的細菌，其基因調控機制如同“黑匣子”，既無現成工具可用，也沒有基礎研究積累，團隊只能自力更生。

為揭開新菌種的奧秘，清華大學生命科學館夜晚經常燈火通明，實驗方案不斷修改、重建。陳國強回憶道：“當時我們用了所有工具都沒成功，我的兩位博士生熬了5年，被逼得快要申請退學了。結果就在他們要退學的那段時間，有了意外發現，打開了這個‘黑匣子’。”

歷時5年，陳國強團隊自主研發出專用的基因編輯工具，實現了對該菌的精準代謝通路設計。 

實現“實驗室-產線”無縫銜接

雖然實驗室裏有了新突破，但要跨越到工業化應用，還差着十萬八千里。

“我們不知道拿到工業界行不行。”在陳國強眼裏，實驗室和工業界有着不同的維度。“如果實驗室是二維空間，工業界就是三維空間。三維視角會看到很多在二維空間看不到的問題。”

面對工業化難題，陳國強團隊決定“兵來將擋，水來土掩”。比如，在實驗室裏做離心操作很簡單，可以用離心管處理，但無法滿足工業規模生產的大批處理需求，於是他們通過形態學工程增大了細胞體積，從而提高離心效率；實驗室中發酵時間需要數天，也不能滿足工業化效率需求，於是團隊通過改變菌種分裂方式，將發酵時間縮短到36小時；在實驗室中氧氣供應容易滿足，但工業上很難實現，團隊就改造了微生物的氧氣吸收能力，發展了新的反應器-反轉反應器，大幅度提高了微生物生長的密度。

破解了多個工業應用難題後，陳國強團隊嘗試到真正的工業生產線去驗證。第一次他們在山東找到了合作工廠，順利生產出5噸PHA，首戰告捷讓大家興奮不已。高興之餘，他們也很清楚，5噸還遠遠達不到工業應用的真正水平。隨即，團隊開始了第二次工廠試驗，他們在福建一家生物企業實現了20噸發酵罐的順利生產。

此時，陳國強團隊已經有信心挑戰更大規模的生產，他們決定在北京建立產線。“在北京，上午工廠遇到問題，下午就能到我們的實驗室解決。”在清華大學的支持下，微構工廠正式成立，團隊從此實現了“實驗室-產線”的無縫銜接。

一段奇妙的緣分

陳國強沒有忘記最初的目標——要打破壟斷，就要繼續做大做強。可是，哪裏能找到更大規模的發酵罐呢？這還得從一段奇妙的緣分説起。

1987年，陳國強在奧地利格拉茨工業大學攻讀博士學位，一家中國酵母研究所前來購買菌種和相關技術設備。在大使館的介紹下，他們找到了既懂微生物學，又精通中文、英語和德語的陳國強當翻譯。

“當時幫他們翻譯了一個月，包括接種、工業操作等，自己賺了不少零花錢，也學到了很多知識。”陳國強笑着回憶道，“以為他們是小打小鬧，沒想到後來做那麼大。”後來，這家酵母研究所逐步發展成為世界第二大酵母企業——安琪酵母。

2021年，陳國強的嗜鹽菌技術需要更大規模的工業化驗證，恰好安琪酵母擁有225噸的發酵罐，雙方又一次開始了合作。

當年，世界最大產量的一次PHA發酵生產是160噸。對陳國強團隊而言，此前20噸的發酵罐試驗還有經驗可以參考，但要放大到225噸，大家心裏都沒底。

懷着緊張、激動的心情，陳國強團隊在安琪酵母工程師們的幫助下，在四層樓高的發酵罐裏開始了試驗。“結果第一次就成功了，我們都覺得是運氣太好了。”隨後，陳國強團隊又展開了一輪試驗，也成功了。

這一次，全世界都關注到了他們的成績。憑藉嗜鹽菌合成生物學及其“下一代工業生物技術”生產PHA的優異成果，陳國強獲得了2023年度國際代謝工程獎，成為首位獲得該獎項的中國科學家。

“實驗室工作是從0到1，工業試驗是從1到10，接下來，我們將走在10到100的路上。”陳國強感慨，“每個階段的挑戰都不一樣，能走到今天，真的太難了。”他透露，團隊近期和多個行業巨頭達成合作，範圍包括PHA的環保紙張、可降解農膜、環境友好包裝材料等。未來他們計劃繼續擴大產業規模，建立年產10萬噸的PHA生產基地。