【闳议】陈国强：开发原创菌种 助力中国生物制造产业发展

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《闳议》访谈节目由《中国科学院院刊》与中国互联网新闻中心联合出品，通过采访两院院士及专家学者，深度探讨迈入“十四五”的中国社会在各领域的发展前路。以客观、精准的解读，科学、前瞻的思考，为站在“两个一百年”历史交汇点上的中国发展破题解惑，为迈向第二个百年目标贡献智慧力量。

生物制造成为我国生物经济战略性新兴产业发展方向，原创菌种是这一产业的关键。我国的原创菌种发展情况如何？与国际先进水平相比还有哪些方面的差距？由清华大学开发的嗜盐菌底盘原创菌种为何能获得国际大奖？对此，《闳议》节目组专访了清华大学教授、合成与系统生物学中心主任陈国强。

生物制造发展前景广阔

中国网：生物制造作为新质生产力和战略性新兴产业的重点之一，是国家重点发展的方向和领域，您在该行业深耕30多年，如何看待其发展前景？目前在该领域，中国与发达国家的差距在哪些地方？

陈国强：我们国家对生物制造是非常重视的。生物制造有几个优点：第一，用可持续发展的原料来进行生产活动的原料，比如二氧化碳、甲醇、乙酸、淀粉、葡萄糖、脂肪酸，在地球上不断出现，可以无穷无尽被消耗，所以这种生产方式是可持续的；另一方面，生物制造是在水里进行的反应，常温常压，无毒、无嗅、无害，所以是一个环境友好的生产方式。

相对于生物制造，化工制造一般是用有机溶剂在高温、高压、重金属催化剂的情况下进行反应，相对来说是比较耗能的，而且对环境不是那么友好。它使用的资源是石油，石油并不是这个星球上可持续发展的原料，所以从未来可持续发展和绿色发展角度来说，生物制造的重要性特别显现出来了。中国是一个资源消耗的大国，人口众多，所以发展生物制造对我们国家未来的可持续发展特别重要，包括对未来的低碳生活也是特别重要的。所有的生产活动当然也包括生物制造，都会产生一定的二氧化碳。但是生物制造用的原料是吸收了二氧化碳的来源于植物的原料，包括二氧化碳本身，所以是低碳的生产活动。

生物制造的发展前景，我认为未来是非常广大的。未来的更多的制造，特别是材料、燃料、食品、营养品，包括蛋白、药物等，是更多的使用生物制造的方式进行的。从这个意义来说，生物制造未来是慢慢会取代化工制造，成为一个大的趋势。

我们国家的生物制造产业在规模上是非常庞大的。比如发酵产业是生物制造里头最重要的成分，全世界的发酵产业中国占了70%。所以我国在制造规模上是非常庞大的，但是我们也有一些短板，比如我们国家用的很多进行生物制造的核心菌种，是国外过来的。最近国家特别重视，投入了很多资源进行原创菌种的开发，但是需要一些时间。

除了菌种之外，我们国家还有另外一个短板就是装备，比如高通量的连续离心机，目前我们还是依赖进口，非常昂贵，而且供货期差不多有一年，对我们未来的发展是一个警示。另外就是进行发酵生产的各种各样的电极，这些也大部分是国外的，所以这一块我们国家也要进行进一步的投入，在装备方面也不留下短板。

“原创芯片”嗜盐菌的巨大意义

中国网：您两次获得生物制造领域国际大奖，成为中国大陆获奖第一人，可以讲一下这两个奖项的背景吗？获奖是否代表着中国在生物制造领域已走在国际前列？

陈国强：我第一个获得的是国际代谢工程奖，我们实验室发展了一个嗜盐菌为（生物）底盘的原创菌种。我们是第一个把嗜盐菌用到大规模工业生产的实验室，在整个国家层面来说都是非常重要的一个突破。嗜盐菌带来的好处就是整个发酵生产过程或生物制造过程，是低能耗的，而且水可以循环使用。低能耗、低耗水、常温常压，生产过程非常友好，更重要的是生产过程不会染菌，不会受环境中的任何微生物所干扰。

我们把它叫作下一代工业生物技术，可以进行连续的生产，所以带来生物制造成本的大幅度下降。还有我们用嗜盐菌为底盘开发了各种各样的工程技术，这也是全世界到目前为止在极端微生物（领域）做到了最好的例子，而且也更重要的是实现了大规模的工业化制造。

第二个大奖是叫作国际生物聚合大会工业奖。这个奖主要是表彰我在一种生物材料叫作聚羟基脂肪酸酯（PHA）方面做出的，也是产业化的贡献。在国际上做PHA材料基本上都是用两个底盘，一个罗氏真氧菌，一个是大肠杆菌，已经进行了差不多快50年了，都是碰到同样的问题：放大非常困难，大规模制造过程中经常会有染菌。用了嗜盐菌底盘以后，生产PHA产品基本上就解决了过去碰到的染菌放大过程中的一些困难。

所以PHA产业在近几年得到大力的发展，特别是嗜盐菌底盘细胞，在国内已经应用于至少5个产业，5个公司在进行大规模生产，这也是对PHA材料走向我们的日常生活提供了很大的贡献，所以获得了大奖。不敢说我们国家在任何生物制造方面都是领先于世界的，但是在PHA生物制造我们是领先于世界的。

中国网：生物菌种是生物制造的“芯片”，中国具有自主知识产权的菌种是怎么样的状况？您发现嗜盐菌是怎样的过程呢？

陈国强：核心菌种是任何生物制造最关键的东西，确实就像我们手机上的芯片一样，是最关键的一个部件。

在微生物发酵菌种这一块，我们现在整个产业用的绝大部分的菌种都是传统的国外首创的底盘。这里有很多知识产权，基本上都被国外那些大公司包括高校研究所垄断。如果我们进行大规模的商业活动，有时候会碰到一些诉讼。所以我们认为要开发一些我们国家原创的菌种来绕过壁垒。除了知识产权之外，传统的国外原创菌种，放大过程中都碰到一些困难，特别是在PHA行业里，在实验室做都是非常完美的，但是在进行大规模生产过程中，因为很多的不确定的因素，包括氧气的供应、pH的控制、原料补加的速率控制，还有微生物的代谢不平衡，造成了整个放大过程中碰到很多问题。

我在清华工作了30年，前10年我们用的是跟国外一样的传统菌种，碰到很多问题，就是放大过程中的不稳定，还有放大过程中染菌。所以我们虽然做了很多努力，但是放大都不那么成功。

后来有一个偶然的机会，我们实验室来了几个从新疆过来的老师同学，他们告诉我说在新疆有一个特别极端的环境，叫作艾丁湖，高低温不平衡，晚上可以零下20度，白天可以零上80度，盐浓度达到200克每升，pH碱性。我们有一个新疆的老师，利用假期给我们采集了很多样品过来，我们从样品里头分离到了一些嗜盐菌，确实能够有很高的活性。我们做了很多实验，这种极端微生物，能够适应各种各样的环境，它可以几乎在任何的变量下都快速生长，这就是我们工业方案当中所需要的，我们叫作皮实性。所以我们用皮实的嗜盐菌做了很多工程开发工具的工作，把嗜盐菌变成一个稳定的底盘细胞，我们在这底盘细胞上可以构建很多代谢通路，可以制造出多种产品。在稳定的体系上建立一个高强的、产品多样的生物制造平台。所以我们有了“下一代工业生物技术”，我认为是在补充我们国家原创菌种底盘上做了一个很重要的工作。

向未来 如何丰富原创菌种

中国网：生物菌种以及极端菌种目前从基础研究到产业创新方面存在什么问题？明年就是“十五五”规划的开端，您对生物菌种的发展有什么建议？

陈国强：我们国家原创的菌种，特别是用在生产当中的，少而又少。所以为了未来生物制造更好的发展，特别是向海外发展，我们需要很多的原创菌种来规避各种各样专利方面的纠纷。

我们认为在自然界中存在的菌种被开发得很充分了，但唯一一个全世界用极端微生物进行生产的，也就清华大学开发出来，就是我们实验室开发出来的嗜盐菌。其他进行学术研究的还是有很多的，但是走到生产方面，目前就一个。

希望有更多的原创菌种能够应用到我们的生物制造产业里，特别是在极端微生物方面，这是一个巨大的海洋，我们国家地理环境应该是全世界最多样的，我们有极寒的、极热的、极冷的，还有高原的，包括海洋，包括沙漠，这些都给我们提供了很好的发展极端微生物的环境。

在极端微生物方面，我们有很多嗜酸的、嗜碱的、嗜盐的、嗜冷的，还有嗜热的，以及能够吃一氧化碳、二氧化碳、甲烷，还有产生甲烷的。我们有很多研究极端微生物的机构，有很多极端微生物资源的储备，但是在做极端微生物分子生物学方面，人才还是非常缺乏的。

目前除了清华大学，还有中国科学院微生物所，很少有机构进行极端微生物分子生物学的研究。我认为极端微生物是一个宝库，也是一个知识产权的海洋。

未来我们应该投入更多的资源，包括更多的人力，把极端微生物作为生产底盘这个牌打好，直到我们在原创微生物底盘细胞方面有更大的发言权，也补齐我们原创菌种缺乏这个短板，使得我们未来的生物制造能够在海内外蓬勃发展。

科学家精神：热爱与坚持

中国网：科学家精神是一切科研成果的基石，您认为发展中国的生物制造，应该具备怎样的科学家精神？

陈国强：我觉得是全心全意投入到科学研究中，然后把自己的绝大部分的精力都投入到自己热爱的科学研究中。还有另外一点是“坚持”，因为所有的研究都是一个非常痛苦的过程，也是一个充满了失败的过程。

有人说科学研究90%是失败的，我自己觉得95%是失败的。只有在你堆积了足够的失败以后，可能才能够找到一个成功的发力点。所以科学家精神就是不怕失败，认真投入地做好这件事情，然后不断地坚持，最后有可能成功。当然失败的可能性也很大，但是我觉得“坚持”是保证成功的最重要的一点，你坚持不一定成功，但不坚持一定是失败的。

（本期策划：杨柳春、王振红；编审：杨柳春、王振红、王虔；编辑：王虔、文彦杰、武一男。出品：《中国科学院院刊》、中国互联网新闻中心）

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