在可降解的生物材料研發上摸索了37年的清華大學教授、合成與系統生物學中心主任陳國強，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、動物可食用等優勢，被寄予厚望。上世紀90年代，工業界試圖大規模生產時，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大規模產業化被認為難以走通時，相關研究迅速降溫，有觀點認為：作為大宗材料，PHA沒有前途。靠著從國家自然科學基金委員會和產業界爭取到的資助，陳國強繼續研究生物制造技術。“我堅信這是未來發展方向，咬著牙也要把它做下去。”陳國強告訴記者。其間，在科技部有關課題的持續支持下，他探索出了可行的PHA規模化生產方法，但受制于制造成本、復雜的生產流程等，實際應用的范圍很小。
生物制造成本居高不下，重要原因是反應過程消耗大量淡水和能量，生產工藝復雜、設備投資巨大，生產過程中出錯（染菌）率很高。能不能用海水來替代淡水？實現這一設想，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陸咸水湖。經過多次實地土壤篩選，他們驚喜地發現，兩株細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微生物菌株。
但這些嗜鹽菌能否充當新一代生物制造的底盤細胞？陳國強帶領團隊利用合成生物學和代謝工程學方法，改造出適應能力更強、生長速度更快的菌株，并從科學上驗證：基于嗜鹽菌發展“下一代工業生物技術”進行制造不僅可行，而且相比上一代技術有巨大提升。2011年，陳國強團隊發表的論文引起行業廣泛關注，多個國際科學團隊和企業紛紛跟進。沉寂多年的PHA研究，包括使用極端細菌的工業過程，成為生物制造的新熱點。
從實驗室走向工業化，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征——規模化生產技術驗證。又攻關近10年，他帶領團隊基于嗜鹽菌構建了生物制造的系列核心技術平臺，解決了發酵生產中高耗能、易染菌、過程復雜、產物難提取、生產成本高等難題。無論基礎研究還是工程化實現，該團隊如今都走在全球前列。
“科學研究就像一場冒險，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，失敗探索遠多于成功。走到現在，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現。”
2021年10月，他帶領團隊完成200噸發酵罐的PHA開放生產。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、可降解農膜、管材、3D打印材料、醫用無紡布以及發光材料等。在合成生物學和“下一代工業生物技術”制造PHA生物塑料的道路上，陳國強團隊使我國處于世界領先的水平。“看到下一代生物制造從夢想變成現實，我感到一切付出都值得！”
標簽： 清華大學
