中國科學院系統(tǒng)微生物工程重點實驗室：打開工業(yè)微生物“黑匣子”

近年來，能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題日漸突出，為了實現(xiàn)人類社會、經濟的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要以可再生生物資源替代不可再生化石資源。

中國科學院系統(tǒng)微生物工程重點實驗室依托于中科院天津工業(yè)生物技術研究所，成立以來瞄準微生物生物技術中的應用基礎研究。日前，實驗室主任張學禮在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“我們致力于研發(fā)新一代工業(yè)菌株，希望借助系統(tǒng)微生物工程打開工業(yè)微生物‘黑匣子’。”

瞄準應用研究

據(jù)悉，中科院系統(tǒng)微生物工程重點實驗室以促進化學工業(yè)的原料、工藝替代和發(fā)酵工業(yè)的產業(yè)升級為目標，運用基因組學、系統(tǒng)生物學和合成生物學的研究思想和技術手段，對工業(yè)微生物的生理和代謝功能進行解析，打通從基因組到產品的技術鏈條，構建生產生物材料、生物燃料、大宗發(fā)酵產品和植物天然產物的微生物細胞工廠。

“不難發(fā)現(xiàn)，我們實驗室定位于應用研究。”張學禮進一步指出，這里的細胞工廠是最近十多年才出現(xiàn)的名詞，簡單來說就是菌種改造。

細胞工廠擬解決的關鍵性科學問題包括化學品生物合成途徑設計原理、DNA元件及功能模塊的分子基礎與適配機制以及細胞工廠高產的分子機理。

張學禮這樣解釋實驗室名稱中的“系統(tǒng)微生物工程”，應用系統(tǒng)生物學的原理和方法，對工業(yè)微生物進行系統(tǒng)分析、認識、設計、優(yōu)化與調控，將工業(yè)微生物從傳統(tǒng)的“黑箱”變?yōu)?span style="font-family:'Times New Roman', serif;">“灰箱”甚至“白箱”，創(chuàng)造具有高效生物制造能力的細胞工廠。

這些年來，實驗室通過在微生物體內重構、創(chuàng)建和優(yōu)化大宗化學品、生物基材料和植物天然產物的合成途徑，為發(fā)展工業(yè)生物技術戰(zhàn)略性新興產業(yè)奠定基礎。

張學禮稱，我們從事的新一代工業(yè)菌株研發(fā)，不僅顯著提升了原料利用能力和轉化率，還促進我國傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)進行產業(yè)升級，實現(xiàn)節(jié)能減排。

創(chuàng)建細胞工廠

張學禮說：“我們已經創(chuàng)建了30個細胞工廠，當前，平均每2個月產生1個細胞工廠。”

先從氨基酸細胞工廠開始說起。氨基酸工業(yè)是我國發(fā)酵行業(yè)的支柱產業(yè)，總產量居世界第一，產值超過500億元。然而，國內生產水平與國際差距顯著，競爭力差，業(yè)內缺少自主知識產權，行業(yè)侵權普遍，國際訴訟頻繁。從葡萄糖到氨基酸的黑箱急需打開。

為此，實驗室科研團隊建立大規(guī)模微生物基因組分析平臺，揭示中國工業(yè)菌株特色和高產機理；發(fā)展了基于結構的關鍵酶設計改造方法，有效解除初級代謝的嚴謹調控。

“我們先后創(chuàng)建了6個自主知識產權的氨基酸工業(yè)菌種，并實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?，取得重大經濟社會效益。”張學禮指出，其中賴氨酸專利菌種在10萬噸生產線應用，創(chuàng)造近億元凈利潤，企業(yè)獎勵科學家550萬元。

此外，來自實驗室的L-丙氨酸在國際上首次實現(xiàn)萬噸級發(fā)酵產業(yè)化，顛覆傳統(tǒng)石化原料生產路線，占領全球60%以上市場，新增產值10億元；羥脯氨酸基本消除了高鹽高氮污水排放，價格為原來的1/10，顛覆傳統(tǒng)化工路線，解決了行業(yè)發(fā)展卡脖子問題。

實驗室還構建了生物塑料單體細胞工廠，打通了可再生生物質原料到丁二酸、D-乳酸等一系列可降解塑料單體的合成路線，實現(xiàn)了萬噸級丁二酸和D-乳酸生物制造技術的產業(yè)化，成本低于石化路線；木質纖維素細胞工廠解決了以淀粉葡萄糖為原料，存在與人爭糧的問題；植物天然產物細胞工廠以工業(yè)生物合成替代植物種植提取，顛覆傳統(tǒng)植物藥物產業(yè)的生產模式、保護生態(tài)環(huán)境資源。

針對不同生物制造需求，實驗室需要解決如何快速、靈敏（高通量）地選育和優(yōu)化細胞工廠的難題，即從初始細胞工廠篩選高性能細胞工廠。于是，實驗室科研團隊研發(fā)了細胞工廠高通量篩選技術裝備，完成第一臺成型機設計加工，具有較高的成本優(yōu)勢，并且操作簡便。

年輕的科研團隊

發(fā)展至今，中科院系統(tǒng)微生物工程重點實驗室研究團隊平均年齡約33歲，其中40歲以下研究人員占固定人員總數(shù)的88%。張學禮自己就是一位“80后”，他說：“雖然我們是一支年輕的科研團隊，但正是這群年輕人組成了實驗室科研隊伍的中堅力量。”

當前，實驗室已經組建了2個創(chuàng)新研究團體：中科院科技創(chuàng)新交叉與合作團隊“化學品合成的人工細胞工廠構建與應用”；天津市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊“微生物細胞工廠設計創(chuàng)新團隊”，該團隊入選為天津市A類重點領域創(chuàng)新團隊。

張學禮表示，我們希望借助系統(tǒng)微生物工程構建更多的細胞工廠，拓展化學品生物制造的種類，力爭更多產品實現(xiàn)產業(yè)化生產，進一步實現(xiàn)資源、能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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