“微生物是一個(gè)很奇妙的東西，是很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)的中堅(jiān)力量，利用得當(dāng)，可以生產(chǎn)許多材料、化學(xué)藥品、燃料，而且都是環(huán)境友好型的產(chǎn)品。”清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)室）主任陳國(guó)強(qiáng)在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示。
近日，記者走進(jìn)這所于1986年成立的實(shí)驗(yàn)室，這里的科研人員從事的是以微生物為基本原料的生物化工技術(shù)研究，這些技術(shù)并沒有都停留在實(shí)驗(yàn)階段，不少早已得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
經(jīng)歷轉(zhuǎn)型
1994年，陳國(guó)強(qiáng)來到微生物實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)當(dāng)主任一職。
由此，實(shí)驗(yàn)室開始轉(zhuǎn)向以微生物生物聚酯“聚羥基脂肪酸酯”科研為主，并進(jìn)入快速發(fā)展期，從二元酸研究發(fā)展到以分子生物學(xué)和基因工程為基礎(chǔ)，工業(yè)微生物學(xué)為支柱，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)為最終目的的綜合實(shí)驗(yàn)室。
實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成，也從單一的微生物專業(yè)人員發(fā)展到有分子生物學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)、高分子科學(xué)和材料科學(xué)等專業(yè)的多學(xué)科隊(duì)伍。
如今，實(shí)驗(yàn)室研究的課題主要是微生物法合成新型材料、手性藥物中間體的微生物合成和微生物合成材料的組織工程應(yīng)用等。這些課題培養(yǎng)了多位能掌握從分子生物學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)，到發(fā)酵生產(chǎn)工藝建立和產(chǎn)品回收等技能的專業(yè)人才。
這里的科研人員利用基因工程、代謝工程，以及合成生物學(xué)的方法，得到了很多可以制造不同類型材料的微生物菌種。
陳國(guó)強(qiáng)談到：“我們也與工業(yè)界開展合作，使用菌種生產(chǎn)不同類型的材料。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在大部分生物聚酯方面的材料，使用的是我們實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)。”
最初的合作研究發(fā)展
實(shí)驗(yàn)室初期經(jīng)歷過困難時(shí)期。陳國(guó)強(qiáng)談到，在2000年以前，實(shí)驗(yàn)室得到的科研經(jīng)費(fèi)非常少，也正是在那時(shí)，與企業(yè)的應(yīng)用開發(fā)成為獲得研究經(jīng)費(fèi)的主要手段。
1997年左右，美國(guó)寶潔公司希望實(shí)驗(yàn)室能提供一項(xiàng)制造聚羥基脂肪酸酯PHA共聚物的技術(shù)。這是一種利用微生物合成技術(shù)生產(chǎn)的高分子生物材料，通俗而言就是一種環(huán)保塑料，材料的名字叫3－羥基丁酸和3－羥基己酸的共聚物，簡(jiǎn)稱PHBHHx。那時(shí)還沒有人能夠大規(guī)模生產(chǎn)這種材料。
在那之前，寶潔生產(chǎn)的產(chǎn)品每年要產(chǎn)生上百萬噸塑料廢品。這些塑料都是石油化工所制，由于不可降解性會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。他們期望利用PHBHHx制成產(chǎn)品外包裝，從而減輕環(huán)境壓力。
“那是我們實(shí)驗(yàn)室第一次做技術(shù)轉(zhuǎn)化，開發(fā)出了一個(gè)菌種，當(dāng)時(shí)還拿到廣東的一個(gè)發(fā)酵廠去做發(fā)酵�！标悋�(guó)強(qiáng)談到。PHA的優(yōu)點(diǎn)是生物可降解，利用的是可持續(xù)發(fā)展的原料，比如淀粉、纖維素材料、脂肪酸等來做發(fā)酵原料，培養(yǎng)細(xì)菌，通過一定的制備工藝生產(chǎn)出PHA。
陳國(guó)強(qiáng)從辦公桌邊上拿出一袋白色粉末，記者用手觸摸，發(fā)現(xiàn)其手感和面粉類似，這正是PHA原料。而這種原料可以制作塑料薄膜、塑料包裝等材料。
他指著桌邊飲水機(jī)上的水桶說：“像這種聚乙烯（PE）的塑料是利用石油制造，經(jīng)過高溫、高壓、催化劑等手段加工出來的，很難在常溫常壓下降解。而微生物生產(chǎn)塑料，只需30℃左右、一個(gè)大氣壓的條件下，通過特有工業(yè)裝置（發(fā)酵罐）就能制備出來，生產(chǎn)手段非常環(huán)保。”
進(jìn)入人體的可降解塑料
“我們?cè)谧鑫⑸锵嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也注重研究不同塑料特性�！标悋�(guó)強(qiáng)談到，PHBHHx的生物可降解性、生物組織相容性、壓電性等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、電子科技等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
在這方面，實(shí)驗(yàn)室曾與山東魯抗集團(tuán)合作。魯抗集團(tuán)生產(chǎn)醫(yī)療方面的植入材料，而這種植入物需要可降解塑料，PHBHHx其優(yōu)良的特性，使其進(jìn)入有機(jī)體后，不會(huì)像其他材料一樣引起生物體的強(qiáng)烈排斥。
能夠用于人體的組織移植物，將PHBHHx制成相應(yīng)的組織骨架植入人體中，其粗糙的表面可增強(qiáng)細(xì)胞生長(zhǎng)，從而促進(jìn)相應(yīng)組織構(gòu)造的形成。當(dāng)新生組織長(zhǎng)成之后，PHBHHx會(huì)被生物體降解，自動(dòng)清除，不留后患。
同樣，人們還可以使用PHBHHx包裹藥物，其在人體內(nèi)達(dá)到藥物緩慢釋放、延長(zhǎng)作用時(shí)間、易于到達(dá)作用位點(diǎn)的效果。
合成生物學(xué)是未來重點(diǎn)
“實(shí)驗(yàn)室目前的方向主要是合成生物學(xué)領(lǐng)域。通俗來講，就是將具有不同優(yōu)良特性的基因從細(xì)菌、真菌、植物、動(dòng)物等分離出來，或者直接用化學(xué)方法合成出來，通過適當(dāng)連接，將它們的優(yōu)勢(shì)集中，在一個(gè)宿主中表達(dá)，獲得所需要的優(yōu)良產(chǎn)品或特性�！标悋�(guó)強(qiáng)說。
比如，實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行維生素B12的代謝通路構(gòu)建，維生素B12在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用非常多。如果用野生微生物來做的話，轉(zhuǎn)化率很低，才150毫克/升，原因在于這種微生物的生長(zhǎng)速度非常慢。所以維生素B12是目前最貴的維生素。
實(shí)驗(yàn)室的科研人員將目光對(duì)準(zhǔn)了生長(zhǎng)快速的大腸桿菌，在其體內(nèi)重新構(gòu)建一條含有30多個(gè)基因的合成通路。大腸桿菌15分鐘便能繁殖一代，而其他細(xì)菌可能要3小時(shí)以上才能繁殖一代，目前這項(xiàng)工作已接近尾聲。
“1公斤維生素B12可以賣到幾萬元，而我們的技術(shù)一旦應(yīng)用，有望讓這個(gè)價(jià)格降低到原來的十分之一�！标悋�(guó)強(qiáng)說，這種研究的意義在于，讓昂貴的維生素B12變得便宜，最終受惠的是老百姓。
他最后談到，石化產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的塑料材料面臨的就是“不可再生”和“不可降解”。而利用微生物生產(chǎn)PHA的最大特點(diǎn)，就是“可再生”和“可降解”，實(shí)驗(yàn)室的研究方向也是一條有望部分取代石化產(chǎn)業(yè)的環(huán)保低碳之路。