微生物制造技術(shù)助力反式烏頭酸綠色生產(chǎn)

反式烏頭酸是一種食品安全的六碳不飽和三元羧酸，獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其具有良好的應(yīng)用價(jià)值，可用于新型殺線蟲生物農(nóng)藥和新一代生物基增塑劑。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中，反式烏頭酸主要從植物中提取，含量低，分離純化成本高；而化學(xué)合成法則面臨副產(chǎn)物多、污染嚴(yán)重等問題。這些瓶頸導(dǎo)致反式烏頭酸始終無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了其下游應(yīng)用開發(fā)。

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（以下簡(jiǎn)稱“青島能源所”）與山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“魯抗醫(yī)藥”）聯(lián)合開發(fā)的反式烏頭酸微生物綠色制造技術(shù)，在全球首次實(shí)現(xiàn)了反式烏頭酸的微生物規(guī)模化生產(chǎn)，推動(dòng)反式烏頭酸被列入九部委聯(lián)合發(fā)布的《精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施方案2024-2027年》重點(diǎn)發(fā)展的生物基化學(xué)品。該技術(shù)近日榮獲了山東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

突破菌種難關(guān)

生物綠色制造，菌種改造是第一關(guān)。

面對(duì)這一世界性難題，青島能源所另辟蹊徑，通過合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建“細(xì)胞工廠”，實(shí)現(xiàn)了反式烏頭酸的高效生物合成。項(xiàng)目第一完成人、青島能源所所長(zhǎng)、黨委書記呂雪峰研究員介紹，研究選取了土曲霉這種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的絲狀真菌作為底盤細(xì)胞，首先聚焦于其遺傳改造困難的技術(shù)難題進(jìn)行了系統(tǒng)性攻關(guān)。“針對(duì)工業(yè)菌株‘能不能改’的難題，我們開發(fā)了基于CRISPR技術(shù)的高效基因編輯方法、可視化的遺傳操作工具等。”呂雪峰說，“有了‘趁手’的工具，我們對(duì)菌株基因的編輯效率從5%提高到近100%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)菌株的精準(zhǔn)遺傳操控。”

解決了“能不能改”的難題后，接下來面臨的是“怎么改”的問題。團(tuán)隊(duì)結(jié)合發(fā)酵過程代謝規(guī)律，解析反式烏頭酸的生物合成機(jī)制，結(jié)合精準(zhǔn)編輯基因、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)重構(gòu)等方式，構(gòu)建了高效的產(chǎn)反式烏頭酸土曲霉細(xì)胞工廠。

建立全球首條反式烏頭酸規(guī)模化生產(chǎn)線

有了工業(yè)菌株，還得“用得上”。

呂雪峰告訴記者，他們通過先后三代菌株的迭代開發(fā)，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)技術(shù)從無到有、從低到高的持續(xù)突破，實(shí)驗(yàn)室搖瓶產(chǎn)量達(dá)到57g/L。

項(xiàng)目組與魯抗醫(yī)藥合作，建立了全球首條反式烏頭酸微生物發(fā)酵生產(chǎn)線，發(fā)酵85小時(shí)產(chǎn)量達(dá)到106g/L，并開發(fā)了膜濃縮和結(jié)晶聯(lián)用的分離純化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了反式烏頭酸大規(guī)模制備，這一突破不僅驗(yàn)證了合成生物學(xué)技術(shù)在大宗化學(xué)品生產(chǎn)中的巨大潛力，更為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在中國(guó)石油和化工聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定會(huì)上，多位院士組成的專家組一致認(rèn)為該技術(shù)達(dá)到“國(guó)際領(lǐng)先”水平。

應(yīng)用場(chǎng)景串起產(chǎn)業(yè)鏈

反式烏頭酸量產(chǎn)后，如何解決其“應(yīng)用落地”問題成為關(guān)鍵。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積極推進(jìn)下游多場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)工作。針對(duì)農(nóng)業(yè)根結(jié)線蟲防治這一世界性難題，推進(jìn)反式烏頭酸新型殺線蟲生物農(nóng)藥開發(fā)應(yīng)用，與企業(yè)合作進(jìn)行大田實(shí)驗(yàn)，效果顯著。據(jù)介紹，目前正在進(jìn)行新農(nóng)藥登記，預(yù)計(jì)將于2026年底拿到證書，是具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全新的殺線蟲生物農(nóng)藥。

同時(shí)，針對(duì)橡塑行業(yè)中鄰苯類增塑劑帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新一代安全型生物基增塑劑反式烏頭酸酯，增塑性能顯著優(yōu)于主流石油基和生物基增塑劑，建成了全鏈條技術(shù)貫通的生產(chǎn)線，成功應(yīng)用于耐低溫型氯丁橡膠、聚氯乙烯復(fù)合材料等應(yīng)用場(chǎng)景并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化銷售。“持續(xù)成本的降低，應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)不斷增多”呂雪峰告訴記者，“通過應(yīng)用場(chǎng)景的拓展串起反式烏頭酸整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新鏈帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈，有望賦能日化、材料和農(nóng)業(yè)等行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。”