清華大學生科院微生物實驗室：將細菌變成塑料

實驗室人員正在做和微生物相關的科研工作。

　　“微生物是一個很奇妙的東西，是很多生產環節的中堅力量，利用得當，可以生產許多材料、化學藥品、燃料，而且都是環境友好型的產品。”清華大學生命科學學院微生物實驗室(以下簡稱實驗室)主任陳國強在接受《中國科學報》記者采訪時表示。

　　近日，記者走進這所于1986年成立的實驗室，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研究，這些技術并沒有都停留在實驗階段，不少早已得到產業化應用。

　　經歷轉型

　　1994年，陳國強來到微生物實驗室，擔當主任一職。

　　由此，實驗室開始轉向以微生物生物聚酯“聚羥基脂肪酸酯”科研為主，并進入快速發展期，從二元酸研究發展到以分子生物學和基因工程為基礎，工業微生物學為支柱，基礎研究和應用開發為最終目的的綜合實驗室。

　　實驗室的研究人員組成，也從單一的微生物專業人員發展到有分子生物學、微生物學、化學、高分子科學和材料科學等專業的多學科隊伍。

　　如今，實驗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用等。這些課題培養了多位能掌握從分子生物學基礎出發，到發酵生產工藝建立和產品回收等技能的專業人才。

　　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。

　　陳國強談到：“我們也與工業界開展合作，使用菌種生產不同類型的材料。國內現在大部分生物聚酯方面的材料，使用的是我們實驗室的技術。”

　　最初的合作研究發展

　　實驗室初期經歷過困難時期。陳國強談到，在2000年以前，實驗室得到的科研經費非常少，也正是在那時，與企業的應用開發成為獲得研究經費的主要手段。

　　1997年左右，美國寶潔公司希望實驗室能提供一項制造聚羥基脂肪酸酯PHA共聚物的技術。這是一種利用微生物合成技術生產的高分子生物材料，通俗而言就是一種環保塑料，材料的名字叫3-羥基丁酸和3-羥基己酸的共聚物，簡稱PHBHHx。那時還沒有人能夠大規模生產這種材料。

　　在那之前，寶潔生產的產品每年要產生上百萬噸塑料廢品。這些塑料都是石油化工所制，由于不可降解性會對環境造成污染。他們期望利用PHBHHx制成產品外包裝，從而減輕環境壓力。

　　“那是我們實驗室第一次做技術轉化，開發出了一個菌種，當時還拿到廣東的一個發酵廠去做發酵。”陳國強談到。PHA的優點是生物可降解，利用的是可持續發展的原料，比如淀粉、纖維素材料、脂肪酸等來做發酵原料，培養細菌，通過一定的制備工藝生產出PHA。

　　陳國強從辦公桌邊上拿出一袋白色粉末，記者用手觸摸，發現其手感和面粉類似，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。

　　他指著桌邊飲水機上的水桶說：“像這種聚乙烯(PE)的塑料是利用石油制造，經過高溫、高壓、催化劑等手段加工出來的，很難在常溫常壓下降解。而微生物生產塑料，只需30℃左右、一個大氣壓的條件下，通過特有工業裝置(發酵罐)就能制備出來，生產手段非常環保。”

　　進入人體的可降解塑料

　　“我們在做微生物相關實驗的同時，也注重研究不同塑料特性。”陳國強談到，PHBHHx的生物可降解性、生物組織相容性、壓電性等優點，在生物醫學、電子科技等領域有著廣泛的應用前景。

　　在這方面，實驗室曾與山東魯抗集團合作。魯抗集團生產醫療方面的植入材料，而這種植入物需要可降解塑料，PHBHHx其優良的特性，使其進入有機體后，不會像其他材料一樣引起生物體的強烈排斥。

　　能夠用于人體的組織移植物，將PHBHHx制成相應的組織骨架植入人體中，其粗糙的表面可增強細胞生長，從而促進相應組織構造的形成。當新生組織長成之后，PHBHHx會被生物體降解，自動清除，不留后患。

　　同樣，人們還可以使用PHBHHx包裹藥物，其在人體內達到藥物緩慢釋放、延長作用時間、易于到達作用位點的效果。

　　合成生物學是未來重點

　　“實驗室目前的方向主要是合成生物學領域。通俗來講，就是將具有不同優良特性的基因從細菌、真菌、植物、動物等分離出來，或者直接用化學方法合成出來，通過適當連接，將它們的優勢集中，在一個宿主中表達，獲得所需要的優良產品或特性。”陳國強說。

　　比如，實驗室正在進行維生素B12的代謝通路構建，維生素B12在醫學方面的應用非常多。如果用野生微生物來做的話，轉化率很低，才150毫克/升，原因在于這種微生物的生長速度非常慢。所以維生素B12是目前最貴的維生素。

　　實驗室的科研人員將目光對準了生長快速的大腸桿菌，在其體內重新構建一條含有30多個基因的合成通路。大腸桿菌15分鐘便能繁殖一代，而其他細菌可能要3小時以上才能繁殖一代，目前這項工作已接近尾聲。

　　“1公斤維生素B12可以賣到幾萬元，而我們的技術一旦應用，有望讓這個價格降低到原來的十分之一。”陳國強說，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，石化產業生產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PHA的最大特點，就是“可再生”和“可降解”，實驗室的研究方向也是一條有望部分取代石化產業的環保低碳之路。