作者:童岱 来源:中国科学报 发布时间:2013-7-23 8:39:55
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清华大学生科院微生物实验室:将细菌变成塑料

■本报记者 童岱
 
“微生物是一个很奇妙的东西,是很多生产环节的中坚力量,利用得当,可以生产许多材料、化学药品、燃料,而且都是环境友好型的产品。”清华大学生命科学学院微生物实验室(以下简称实验室)主任陈国强在接受《中国科学报》记者采访时表示。
 
近日,记者走进这所于1986年成立的实验室,这里的科研人员从事的是以微生物为基本原料的生物化工技术研究,这些技术并没有都停留在实验阶段,不少早已得到产业化应用。
 
经历转型
 
1994年,陈国强来到微生物实验室,担当主任一职。
 
由此,实验室开始转向以微生物生物聚酯“聚羟基脂肪酸酯”科研为主,并进入快速发展期,从二元酸研究发展到以分子生物学和基因工程为基础,工业微生物学为支柱,基础研究和应用开发为最终目的的综合实验室。
 
实验室的研究人员组成,也从单一的微生物专业人员发展到有分子生物学、微生物学、化学、高分子科学和材料科学等专业的多学科队伍。
 
如今,实验室研究的课题主要是微生物法合成新型材料、手性药物中间体的微生物合成和微生物合成材料的组织工程应用等。这些课题培养了多位能掌握从分子生物学基础出发,到发酵生产工艺建立和产品回收等技能的专业人才。
 
这里的科研人员利用基因工程、代谢工程,以及合成生物学的方法,得到了很多可以制造不同类型材料的微生物菌种。
 
陈国强谈到:“我们也与工业界开展合作,使用菌种生产不同类型的材料。国内现在大部分生物聚酯方面的材料,使用的是我们实验室的技术。”
 
最初的合作研究发展
 
实验室初期经历过困难时期。陈国强谈到,在2000年以前,实验室得到的科研经费非常少,也正是在那时,与企业的应用开发成为获得研究经费的主要手段。
 
1997年左右,美国宝洁公司希望实验室能提供一项制造聚羟基脂肪酸酯PHA共聚物的技术。这是一种利用微生物合成技术生产的高分子生物材料,通俗而言就是一种环保塑料,材料的名字叫3-羟基丁酸和3-羟基己酸的共聚物,简称PHBHHx。那时还没有人能够大规模生产这种材料。
 
在那之前,宝洁生产的产品每年要产生上百万吨塑料废品。这些塑料都是石油化工所制,由于不可降解性会对环境造成污染。他们期望利用PHBHHx制成产品外包装,从而减轻环境压力。
 
“那是我们实验室第一次做技术转化,开发出了一个菌种,当时还拿到广东的一个发酵厂去做发酵。”陈国强谈到。PHA的优点是生物可降解,利用的是可持续发展的原料,比如淀粉、纤维素材料、脂肪酸等来做发酵原料,培养细菌,通过一定的制备工艺生产出PHA。
 
陈国强从办公桌边上拿出一袋白色粉末,记者用手触摸,发现其手感和面粉类似,这正是PHA原料。而这种原料可以制作塑料薄膜、塑料包装等材料。
 
他指着桌边饮水机上的水桶说:“像这种聚乙烯(PE)的塑料是利用石油制造,经过高温、高压、催化剂等手段加工出来的,很难在常温常压下降解。而微生物生产塑料,只需30℃左右、一个大气压的条件下,通过特有工业装置(发酵罐)就能制备出来,生产手段非常环保。”
 
进入人体的可降解塑料
 
“我们在做微生物相关实验的同时,也注重研究不同塑料特性。”陈国强谈到,PHBHHx的生物可降解性、生物组织相容性、压电性等优点,在生物医学、电子科技等领域有着广泛的应用前景。
 
在这方面,实验室曾与山东鲁抗集团合作。鲁抗集团生产医疗方面的植入材料,而这种植入物需要可降解塑料,PHBHHx其优良的特性,使其进入有机体后,不会像其他材料一样引起生物体的强烈排斥。
 
能够用于人体的组织移植物,将PHBHHx制成相应的组织骨架植入人体中,其粗糙的表面可增强细胞生长,从而促进相应组织构造的形成。当新生组织长成之后,PHBHHx会被生物体降解,自动清除,不留后患。
 
同样,人们还可以使用PHBHHx包裹药物,其在人体内达到药物缓慢释放、延长作用时间、易于到达作用位点的效果。
 
合成生物学是未来重点
 
“实验室目前的方向主要是合成生物学领域。通俗来讲,就是将具有不同优良特性的基因从细菌、真菌、植物、动物等分离出来,或者直接用化学方法合成出来,通过适当连接,将它们的优势集中,在一个宿主中表达,获得所需要的优良产品或特性。”陈国强说。
 
比如,实验室正在进行维生素B12的代谢通路构建,维生素B12在医学方面的应用非常多。如果用野生微生物来做的话,转化率很低,才150毫克/升,原因在于这种微生物的生长速度非常慢。所以维生素B12是目前最贵的维生素。
 
实验室的科研人员将目光对准了生长快速的大肠杆菌,在其体内重新构建一条含有30多个基因的合成通路。大肠杆菌15分钟便能繁殖一代,而其他细菌可能要3小时以上才能繁殖一代,目前这项工作已接近尾声。
 
“1公斤维生素B12可以卖到几万元,而我们的技术一旦应用,有望让这个价格降低到原来的十分之一。”陈国强说,这种研究的意义在于,让昂贵的维生素B12变得便宜,最终受惠的是老百姓。
 
他最后谈到,石化产业生产的塑料材料面临的就是“不可再生”和“不可降解”。而利用微生物生产PHA的最大特点,就是“可再生”和“可降解”,实验室的研究方向也是一条有望部分取代石化产业的环保低碳之路。
 

实验室人员正在做和微生物相关的科研工作。童岱摄
 
《中国科学报》 (2013-07-23 第8版 平台)
 
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