当清华大学生科院微生物实验室将细菌变成塑料

清华大学生科院微生物实验室：将细菌变成塑料

“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》采访时表示。

近日，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试样断裂后夹具会自动回归原位废品。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，用手触摸，发现其手感和面粉类似，882.6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，使在可做实验项目上其进入有机体后，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。

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