微生物在人們的日常生活中無處不在，就飲食方面來說，諸如麵包、味精、醬油、啤酒等食品其實都是微生物發酵的產物，而這背後，都離不開性狀優良的微生物菌種。

菌種是微生物產業的核心命脈，如同晶片之於半導體產業。近年來，隨著基因工程、代謝工程、基因編輯、液滴微流控以及合成生物學等技術的發展，為微生物優良菌種的篩選以及效率提升帶來了新機遇。

近日，生輝採訪到華南理工大學生物科學與工程學院副教授葉健文博士，他圍繞微生物育種、合成生物學、聚羥基脂肪酸酯（PHA）新材料製造等方面的發展現狀和應用前景進行了解讀。

▲圖｜華南理工大學生物科學與工程學院副教授葉健文博士（來源：受訪者）

在華南理工大學本科畢業後，葉健文被保送至清華大學攻讀博士（直博），師從陳國強教授，研究課題是針對鹽單胞菌、假單胞菌、大腸桿菌、羅氏菌等微生物的基因改造以及下游工業應用，並在陳國強教授課題組繼續完成博士後研究工作。

如今，葉健文在華南理工大學生物科學與工程學院擔任副教授、博士生導師，研究方向主要圍繞微生物基因改造和下游工業應用，繼續拓展以鹽單胞菌為底盤的「下一代工業生物技術」（為清華大學陳國強教授提出）。截至目前，葉健文以第一/通訊作者在 Nature Communications、Advanced Materials、Trends in Biotechnology、Metabolic Engineering、Bioresource Technology、Essays in Biochemistry 等期刊上發表論文 20 余篇，申請/授權發明專利 19 件，獲「倫世儀教育基金」青年學者、林道諾貝爾青年科學獎（化學）等榮譽。

「總結起來，我在整個學術生涯中有兩個核心關鍵詞，科研和創業。」葉健文介紹道，「科研方面主要是圍繞鹽單胞菌進行基因改造；創業方面，則是將先前研究的微生物投入到工廠以及進行規模化的工業生產。」葉健文坦言，創業期間他曾在中試車間連續不眠工作 70 多個小時，「現在回想起來自己非常珍惜和感恩那段時光，陳教授等給了我一個廣闊空間和平台，在各方面都得到了很好的歷練和成長。」他說道。

微生物育種是生物製造產業的重要支撐

與植物育種相類似，微生物育種是培育優良微生物的生物學技術，其大體可劃分為兩類，自然選育和人工選育。「自然選育是從自然界中去篩分一些有特色的微生物或底盤菌，而人工選育則是通過化學誘變、等離子誘變等方式去對微生物進行突變選育。這兩種育種方式既可以結合，也可以獨立。」葉健文介紹說。

「當基因改造短期難以進行突破或面臨難以突破的理論瓶頸時，可以選擇基於自然選育的特色底盤，並對其進行功能性強化。這便涉及基因改造，核心在於將其功能性的分子機制或代謝機制進行研究、強化以及提煉，甚至可『移植』到傳統模式底盤中以實現同樣的功能。」他說道。

前景方面，在葉健文看來，微生物是生物合成的重要底盤選擇，因此微生物育種在未來的生物製造工業中擁有廣闊的應用前景，也是作為一項基礎技術來支撐生物製造產業的發展。

應用前景被普遍看好，然而現階段包括高通量和篩選流程設計，以及人工選育菌株遺傳穩定性、可編輯性等都是微生物育種所面臨的挑戰。「雖說目前還沒有一種通用型技術體系能夠克服所有挑戰，但在某個環節我們正在進行技術突破，因此可以通過『逐個擊破』的路線來逐步建立體系，並解決當前面臨的各種挑戰。」葉健文表示。

作為一種技術手段，選育優良微生物菌株的重要應用之一便是新型生物材料的高效合成製造。而如今隨著限塑令升級，及碳中和、碳達峰目標的提出，以基因工程改造的微生物合成聚羥基脂肪酸酯（PHA）的工業生物技術倍受市場關注。

PHA 是一種由微生物合成，具有良好生物相容性、可降解性的高分子聚酯材料。據介紹，作為一種新型生物材料，PHA 的生產製造過程為全生物合成，是綠色可持續的，而且其發酵條件比較溫和。與此同時，PHA 材料本身為完全生物可降解，是目前生物基材料中唯一可以實現自然條件下完全生物降解的聚酯材料。

對於現階段 PHA 生物製造和加工過程所面臨的挑戰，葉健文總結了三個方面。

首先，成本，即如何把 PHA 的生產成本降到與化工生產塑料大致相當水平；

其次，穩定性，即如何保證發酵過程批次出料的性能穩定均一。「PHA 是生命體系中合成的材料，由於每個細胞存在差異性，因此很難保證所有細胞合成的 PHA 性能完全相同，比如，各個細胞的產量、產率以及所合成 PHA 的物理化學特性、熱力學特性等能否維持穩定。」葉健文表示。

再次，PHA 周邊的產業配套（製造與加工）。「畢竟 PHA 是一種剛進入市場的全新材料，所以它的發酵生產、下游加工及改性等規模化產業需求能否快速匹配顯得非常關鍵。」他指出。

除此之外，生產工藝也是當今所面臨的一大挑戰。「以鹽單胞菌、大腸桿菌、羅氏菌等不同底盤細胞為代表的不同合成技術各有特色，工程集成後綜合考量方可顯出優劣，不可一言以蔽之，也不能妄下定論。如何綜合工藝特色，利用工程化理念，撥動技術性與經濟性的平衡點，實現工藝系統的全局優化和持續技術疊代，才是決定 PHA 未來的成本、穩定性和規模化成功與否的關鍵。」他說道。

對此，葉健文認為解決問題的關鍵在於生產成本的分析與技術體系的剖析，然後對整個工藝系統進行優化，同時匹配相應的菌株或工藝改造設計。「目前，PHA 生產過程是一條全新的工藝路線，需要從大到小不斷進行聚焦。上游層面，菌株優化勢在必行，其不但決定轉化率，也決定生產強度以及材料穩定性；下游層面，生產工藝、材料加工等也需要進行匹配和協同。」他表示。

任何產品的規模生產都需要經歷一個擴大化過程，對於 PHA 而言成本是一個關鍵點，需要以降低成本為核心進行工藝優化與擴大，實現從小到大規模化生產的有序開展。「作為一種新型綠色材料，同時也是合成生物學發展至今極具辨識度的產品之一，PHA 的應用場景非常大眾化，能夠覆蓋低、中、高端多種應用市場，PHA 的應用前景未來可期。」葉健文指出。

▲圖｜工程改造鹽單胞菌合成 PHA 及高值產物（來源：Essays in Biochemistry）

不論是微生物育種，還是 PHA 的生物合成，這些其實都屬於合成生物學的範疇。作為生物科學在本世紀孵育的一個多學科交叉的重要分支學科，合成生物學迅速崛起。就國內而言，葉健文表示，「近年來，國內合成生物學領域也實現了快速發展，其中，『快』更多的是體現在上游技術層面。」比如基因編輯、DNA 合成、DNA 測序等技術手段。「然而，相較於上游技術的快速發展，下游的產業匹配則相對後知後覺，包括工業/工程的匹配、生產裝備/集成系統的匹配等。此外，圍繞生物製造體系，技術經濟性、工程可行性和穩定性評價等還都需要進一步強化。」他補充說。

除了技術層面，還有一個重要的因素是人才培養體系的培養與搭建。「既了解上游的技術開發，也了解下游的工程生產的複合型人才非常重要，複合人才培養體系的搭建將有利於合成生物學的產業落地。」葉健文指出。

「整體來講，整個合成生物學領域是欣欣向榮的，有很大的想像空間，未來可期。」談及未來發展前景，葉健文總結了三個「度」：既要從悲觀的角度來審視合成生物學技術的進步，也要從樂觀的態度來踏實地做好當下的研究工作，此外，還要從人文的深度，來思考技術進步、科研工作者個體等與社會發展的關係。「有了這些思考便可以反向促進並有利於技術的良性發展與市場競爭，而這也是我在清華大學求學期間邱勇教授所提倡的『人文日新』的理念。其實，理工學科更需要有人文的思考，只有這樣才能更好的輔助我們去做好技術開發的同時，也不忘記整個產業生態建設的初心。」葉健文說道。

工程是科研必經的擴大化過程，成本和穩定性是關鍵

現階段，葉健文正帶領團隊圍繞極端底盤微生物進行創新技術開發，比如代謝工程、生物發酵和匹配下游工藝放大技術體系，以及基於新的底盤技術進行多產品管線的生物合成，進而實現更高效、更綠色低碳的生物製造過程。

「綠色生物製造過程涉及到下游比如功能性 PHA、高附加值胺基酸衍生物的生產，以及上游比如二氧化碳、生物質等碳源的綜合利用體系等。其中，比較核心的是基因編輯、菌株改造，以及與之相匹配的下游的生物發酵、分離純化工藝等部分，並且這兩部分必然是密切銜接的。」葉健文指出。

▲圖｜傳統工業生物技術與新一代工業生物技術對比（來源：Chinese Journal of Bioprocess Engineering）

關於課題組的最新研究進展，葉健文概括了幾個層面：

第一，選育層面，他和團隊基於自主設計的選育流程，在一些極端環境中取樣並進行微生物底盤的自然選育，並進行了發酵優化和代謝強化。其中，代謝強化包括兩方面，一方面是圍繞菌株對底物的代謝利用，在菌株「天賦」的基礎上再進行強化；另一部分圍繞菌株的代謝產物。「因為有些底盤比較偏好或適合去合成某類型的產品，所以我們就會對它的代謝途徑進行進一步強化。」葉健文解釋說。

第二，產品層面，主要圍繞 PHA。「PHA 是一個大品類，經歷過數代的優化，後續還可以進行更多的多元化聚合單體設計，比如不同單體的摩爾比例可能會影響 PHA 材料性能，再比如 PHA 聚合過程的控制等，我們目前也在開展 PHA 合成的研究工作。」他說道。「除了 PHA 之外，我們還基於胺基酸衍生物的生物合成取得了一些新進展，現階段正在搭建一個以二氧化碳為碳源的綜合利用體系，目前已經形成了較成熟的工程技術體系雛形。」

談及課題組下一步的研究動向，葉健文表示，接下來計劃構建以鹽單胞菌為主、模式生物為輔，以工程技術應用為導向的「產學研」一體化技術平台。

據介紹，之所以要以模式生物為輔，是因為鹽單胞菌的代謝特性、基因組信息以及基因編輯改造等需要藉助模式生物的研究背景和信息作為支撐與輔助，「所以我們也會同步開展基礎研究來探索模式生物的機制和基因編輯的共同性，以便於更好地研究鹽單胞菌。」他說道。

與此同時，「在做好科研的同時千萬不能丟掉工程部分。」葉健文指出，比如，在實驗室里構建出比較好的底盤細胞，然而在進入工廠規模化生產時很有可能會被一個很小的問題卡住，導致整個項目和產業化進程被擱置。「所以，我們在科研的同時會考慮很多產業化問題，探索下游工程技術可能會存在什麼樣的潛在風險點，進而結合風險點來反向進行上游細胞工廠的開發和匹配等。」他補充說。

具體到產業落地，在葉健文看來，非常核心的技術問題是穩定性，比如菌株本身（如遺傳物質、代謝活動等）的穩定性和菌株性能的穩定性，以及下游工藝的穩定性等。「穩定性與規模化生產的經濟性和可行性密切相關，也會涉及到下游工藝的設計問題，可以說，穩定性問題在產業化中反而會占據主導因素。」他指出。

對於實驗室「科學研究」和工業化「規模生產」兩者之間的關係，在葉健文看來，「從科學研究到規模生產必然會經歷一個逐步放大的過程，而這個過程好比是科學研究的『照妖鏡』。科學研究前期的思考深度或技術完善程度，在這個過程中都會有一個很好的體現。」他指出。

科學研究更多的是聚焦於技術、機制、自然規律等的前沿探索，屬於上游技術開發層面，不需要太多的考慮成本、穩定性等要素。但是在規模生產中，經濟性和穩定性反而更為重要，因其與市場密切相關，直接關乎市場的可接受程度。比如，生物合成產業較為關注的三個金標準，產量、產率以及轉化率。

「在規模生產過程中需要考慮的問題會比科學研究更為系統，而技術先進性並不是首要因素，更多時候，一些工藝微調、設備疊代以及組合式創新等在規模生產中是為更重要的。」葉健文表示。

談及產業轉化，葉健文坦言，目前國內在生物製造領域的人才缺口仍然存在，因此現階段主要回歸母校（華南理工），依託生物學院的工程學平台特色，以科研和人才培養為主線，教研相長。「在華工的開展科研的一年半里，一直聚焦技術研發和產業轉化，和企業保持密切的產學研合作聯繫。同時，希望在明年能夠形成一個初步的成果轉化計劃，對下游應用乃至整個產業產生積極的力所能及的輸出。與此同時，我們團隊也正在與企業開展合作，以期通過我們新開發的技術助力企業實現超預期的成長，使得技術能夠得到市場認可、產生價值，進而形成相互促進的協同效應。」他總結道。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1042/EBC20200159

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