微生物細胞工廠工業(yè)應(yīng)用的代表性案例

使用上述技術(shù)路線，國內(nèi)外研究人員創(chuàng)建出一系列微生物細胞工廠，實現(xiàn)了很多以前只能通過化工煉制生產(chǎn)的化學品的生物制造，提升了很多傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品的技術(shù)水平，在節(jié)能降耗方面效果顯著。

新型化學品的生物制造

1,3-丙二醇。1,3-?丙二醇是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于聚酯、聚醚、聚氨酯，以及涂料、去污劑、黏合劑等的合成。1,3-?丙二醇與對苯二甲酸縮聚而成的對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）不僅可生物降解，還具有尼龍的柔軟性和彈性、腈綸的蓬松性、滌綸的抗污性等特點，是一種性能非常優(yōu)異的新型材料。20?世紀初期，隨著石油價格的愈發(fā)波動和不斷上漲，一些國際石油化工巨頭開始探索生物制造技術(shù)，以此來部分替代石化制造路線，豐富技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈條。其中最具代表性的是美國杜邦公司，其代表性生物技術(shù)產(chǎn)品便是?1,3-?丙二醇。自然界中一些微生物能將甘油高效轉(zhuǎn)化為?1,3-?丙二醇。然而甘油原料的成本相對較高，而且由于受到還原力調(diào)控，甘油作為唯一碳源生產(chǎn)?1,3-?丙二醇的理論最大轉(zhuǎn)化率只有?0.75?mol/mol，導(dǎo)致這條生產(chǎn)路線的成本較高。杜邦公司首次設(shè)計并創(chuàng)建了以葡萄糖為原料生產(chǎn)?1,3-?丙二醇的生物合成途徑。將來自釀酒酵母的甘油合成途徑和來自肺炎克雷伯菌的?1,3-?丙二醇合成途徑導(dǎo)入大腸桿菌，敲除磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS?系統(tǒng)）并下調(diào)甘油醛?-3-?磷酸脫氫酶減少進入三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）的碳代謝流，促進葡萄糖向甘油的代謝，顯著提高了葡萄糖到?1,3-?丙二醇的轉(zhuǎn)化率。最終構(gòu)建出的細胞工廠?1,3-?丙二醇產(chǎn)量達?135?g/L，生產(chǎn)速率達?3.5g/(L·h)，葡萄糖轉(zhuǎn)化率為?0.83?mol/mol。基于這一技術(shù)，杜邦公司建立了年產(chǎn)?4.5?萬噸?1,3-?丙二醇的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，并開發(fā)了一系列?PTT?衍生材料產(chǎn)品。與傳統(tǒng)石化制造路線相比，生物法?1,3-?丙二醇技術(shù)的能耗降低?40%，CO₂排放減少?40%。清華大學、北京化工大學、華東理工大學也開展了以甘油為原料生產(chǎn)?1,3-?丙二醇的研究工作。隨著生物法?1,3-?丙二醇技術(shù)的大獲成功，杜邦公司調(diào)整其戰(zhàn)略投入，不斷加大在生物技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入和對生物制造產(chǎn)業(yè)的推動。目前，杜邦公司?20%?產(chǎn)值來自生物產(chǎn)業(yè)。

萜類化合物。萜類化合物是植物天然產(chǎn)物中最大的種類，是液體燃料、橡膠、香精香料等的主要成分。萜類化合物不僅是重要的工業(yè)原料，在醫(yī)藥領(lǐng)域也有廣泛用途。美國加州大學伯克利分校?Jay Keasling?教授與美國?Amyris?公司構(gòu)建了合成生物學發(fā)展歷史上的第一個代表性產(chǎn)品——青蒿素，在萜類化合物的細胞工廠開發(fā)方面作出了重要貢獻。Amyris?公司通過構(gòu)建釀酒酵母細胞工廠生產(chǎn)瘧疾治療藥物青蒿素的關(guān)鍵前體——青蒿酸，再將青蒿酸轉(zhuǎn)化為青蒿素。2013?年?5?月，世界衛(wèi)生組織批準細胞工廠合成的青蒿素作為臨床藥物使用，從而使青蒿素的生產(chǎn)擺脫了傳統(tǒng)植物提取方式的局限，不再受土地、氣候、時間等植物生長的制約，可以通過發(fā)酵罐實現(xiàn)青蒿素的工業(yè)化生產(chǎn)，為在世界范圍內(nèi)消除瘧疾提供了可能。

L-丙氨酸。L-?丙氨酸是一種重要的平臺化學品，用于生產(chǎn)表面活性劑、維生素?B₆和氨基酸注射液，全球市場需求在?5?萬噸/年。目前?L-?丙氨酸的生產(chǎn)技術(shù)都是以石油基順酐為原料，制得天冬氨酸后再脫羧生成?L-?丙氨酸。該技術(shù)使用的原料不可再生，生產(chǎn)過程中會排放大量的?CO₂。天然微生物雖然有將葡萄糖轉(zhuǎn)化為?L-?丙氨酸的生物合成途徑，但?L-?丙氨酸的產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率都非常低，和酶法路線相比沒有競爭力。中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所通過?L-?丙氨酸最優(yōu)途徑設(shè)計、合成途徑重建、合成途徑精確調(diào)控和細胞性能優(yōu)化，構(gòu)建出將葡萄糖高效轉(zhuǎn)化為?L-?丙氨酸的細胞工廠。目前，該技術(shù)指標達國際最高水平，并且利用該技術(shù)建成年產(chǎn)?3?萬噸?L-?丙氨酸的生產(chǎn)線，在國際上首次實現(xiàn)發(fā)酵法?L-?丙氨酸的產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)技術(shù)降低?52%。隨著發(fā)酵法?L-?丙氨酸的量產(chǎn)，以德國巴斯夫公司為首的世界化工巨頭開始以其為原材料制造新型環(huán)保的無磷洗滌劑甲基甘氨酸二乙酸（MGDA）替代傳統(tǒng)的含磷洗滌劑，這一工作對保護水體生態(tài)環(huán)境意義重大。