合成生物学工业应用的现状和展望

微生物细胞工厂工业应用的代表性案例

使用上述技术路线，国内外研究人员创建出一系列微生物细胞工厂，实现了很多以前只能通过化工炼制生产的化学品的生物制造，提升了很多传统发酵产品的技术水平，在节能降耗方面效果显著。

新型化学品的生物制造

1,3-丙二醇。1,3- 丙二醇是一种重要的化工原料，广泛应用于聚酯、聚醚、聚氨酯，以及涂料、去污剂、黏合剂等的合成。1,3- 丙二醇与对苯二甲酸缩聚而成的对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）不仅可生物降解，还具有尼龙的柔软性和弹性、腈纶的蓬松性、涤纶的抗污性等特点，是一种性能非常优异的新型材料。20 世纪初期，随着石油价格的愈发波动和不断上涨，一些国际石油化工巨头开始探索生物制造技术，以此来部分替代石化制造路线，丰富技术和产业链条。其中最具代表性的是美国杜邦公司，其代表性生物技术产品便是 1,3- 丙二醇。自然界中一些微生物能将甘油高效转化为 1,3- 丙二醇。然而甘油原料的成本相对较高，而且由于受到还原力调控，甘油作为唯一碳源生产 1,3- 丙二醇的理论最大转化率只有 0.75 mol/mol，导致这条生产路线的成本较高。杜邦公司首次设计并创建了以葡萄糖为原料生产 1,3- 丙二醇的生物合成途径。将来自酿酒酵母的甘油合成途径和来自肺炎克雷伯菌的 1,3- 丙二醇合成途径导入大肠杆菌，敲除磷酸葡萄糖转移酶系统（PTS 系统）并下调甘油醛 -3- 磷酸脱氢酶减少进入三羧酸循环（TCA循环）的碳代谢流，促进葡萄糖向甘油的代谢，显著提高了葡萄糖到 1,3- 丙二醇的转化率。最终构建出的细胞工厂 1,3- 丙二醇产量达 135 g/L，生产速率达 3.5g/(L·h)，葡萄糖转化率为 0.83 mol/mol。基于这一技术，杜邦公司建立了年产 4.5 万吨 1,3- 丙二醇的产业化生产线，并开发了一系列 PTT 衍生材料产品。与传统石化制造路线相比，生物法 1,3- 丙二醇技术的能耗降低 40%，CO₂排放减少 40%。清华大学、北京化工大学、华东理工大学也开展了以甘油为原料生产 1,3- 丙二醇的研究工作。随着生物法 1,3- 丙二醇技术的大获成功，杜邦公司调整其战略投入，不断加大在生物技术领域的研发投入和对生物制造产业的推动。目前，杜邦公司 20% 产值来自生物产业。

萜类化合物。萜类化合物是植物天然产物中最大的种类，是液体燃料、橡胶、香精香料等的主要成分。萜类化合物不仅是重要的工业原料，在医药领域也有广泛用途。美国加州大学伯克利分校 Jay Keasling 教授与美国 Amyris 公司构建了合成生物学发展历史上的第一个代表性产品——青蒿素，在萜类化合物的细胞工厂开发方面作出了重要贡献。Amyris 公司通过构建酿酒酵母细胞工厂生产疟疾治疗药物青蒿素的关键前体——青蒿酸，再将青蒿酸转化为青蒿素。2013 年 5 月，世界卫生组织批准细胞工厂合成的青蒿素作为临床药物使用，从而使青蒿素的生产摆脱了传统植物提取方式的局限，不再受土地、气候、时间等植物生长的制约，可以通过发酵罐实现青蒿素的工业化生产，为在世界范围内消除疟疾提供了可能。

L-丙氨酸。L- 丙氨酸是一种重要的平台化学品，用于生产表面活性剂、维生素 B₆和氨基酸注射液，全球市场需求在 5 万吨/年。目前 L- 丙氨酸的生产技术都是以石油基顺酐为原料，制得天冬氨酸后再脱羧生成 L- 丙氨酸。该技术使用的原料不可再生，生产过程中会排放大量的 CO₂。天然微生物虽然有将葡萄糖转化为 L- 丙氨酸的生物合成途径，但 L- 丙氨酸的产量和转化率都非常低，和酶法路线相比没有竞争力。中国科学院天津工业生物技术研究所通过 L- 丙氨酸最优途径设计、合成途径重建、合成途径精确调控和细胞性能优化，构建出将葡萄糖高效转化为 L- 丙氨酸的细胞工厂。目前，该技术指标达国际最高水平，并且利用该技术建成年产 3 万吨 L- 丙氨酸的生产线，在国际上首次实现发酵法 L- 丙氨酸的产业化，生产成本比传统技术降低 52%。随着发酵法 L- 丙氨酸的量产，以德国巴斯夫公司为首的世界化工巨头开始以其为原材料制造新型环保的无磷洗涤剂甲基甘氨酸二乙酸（MGDA）替代传统的含磷洗涤剂，这一工作对保护水体生态环境意义重大。