中国科学院系统微生物工程重点实验室：

打开工业微生物“黑匣子”

■本报记者 沈春蕾

近年来，能源资源短缺、生态环境恶化等一系列问题日渐突出，为了实现人类社会、经济的可持续发展，迫切需要以可再生生物资源替代不可再生化石资源。

中国科学院系统微生物工程重点实验室依托于中科院天津工业生物技术研究所，成立以来瞄准微生物生物技术中的应用基础研究。日前，实验室主任张学礼在接受《中国科学报》记者采访时表示：“我们致力于研发新一代工业菌株，希望借助系统微生物工程打开工业微生物‘黑匣子’。”

瞄准应用研究

据悉，中科院系统微生物工程重点实验室以促进化学工业的原料、工艺替代和发酵工业的产业升级为目标，运用基因组学、系统生物学和合成生物学的研究思想和技术手段，对工业微生物的生理和代谢功能进行解析，打通从基因组到产品的技术链条，构建生产生物材料、生物燃料、大宗发酵产品和植物天然产物的微生物细胞工厂。

“不难发现，我们实验室定位于应用研究。”张学礼进一步指出，这里的细胞工厂是最近十多年才出现的名词，简单来说就是菌种改造。

细胞工厂拟解决的关键性科学问题包括化学品生物合成途径设计原理、DNA元件及功能模块的分子基础与适配机制以及细胞工厂高产的分子机理。

张学礼这样解释实验室名称中的“系统微生物工程”，应用系统生物学的原理和方法，对工业微生物进行系统分析、认识、设计、优化与调控，将工业微生物从传统的“黑箱”变为“灰箱”甚至“白箱”，创造具有高效生物制造能力的细胞工厂。

这些年来，实验室通过在微生物体内重构、创建和优化大宗化学品、生物基材料和植物天然产物的合成途径，为发展工业生物技术战略性新兴产业奠定基础。

张学礼称，我们从事的新一代工业菌株研发，不仅显著提升了原料利用能力和转化率，还促进我国传统发酵工业进行产业升级，实现节能减排。

创建细胞工厂

张学礼说：“我们已经创建了30个细胞工厂，当前，平均每2个月产生1个细胞工厂。”

先从氨基酸细胞工厂开始说起。氨基酸工业是我国发酵行业的支柱产业，总产量居世界第一，产值超过500亿元。然而，国内生产水平与国际差距显著，竞争力差，业内缺少自主知识产权，行业侵权普遍，国际诉讼频繁。从葡萄糖到氨基酸的黑箱急需打开。

为此，实验室科研团队建立大规模微生物基因组分析平台，揭示中国工业菌株特色和高产机理；发展了基于结构的关键酶设计改造方法，有效解除初级代谢的严谨调控。

“我们先后创建了6个自主知识产权的氨基酸工业菌种，并实现了规模化应用，取得重大经济社会效益。”张学礼指出，其中赖氨酸专利菌种在10万吨生产线应用，创造近亿元净利润，企业奖励科学家550万元。

此外，来自实验室的L-丙氨酸在国际上首次实现万吨级发酵产业化，颠覆传统石化原料生产路线，占领全球60%以上市场，新增产值10亿元；羟脯氨酸基本消除了高盐高氮污水排放，价格为原来的1/10，颠覆传统化工路线，解决了行业发展卡脖子问题。

实验室还构建了生物塑料单体细胞工厂，打通了可再生生物质原料到丁二酸、D-乳酸等一系列可降解塑料单体的合成路线，实现了万吨级丁二酸和D-乳酸生物制造技术的产业化，成本低于石化路线；木质纤维素细胞工厂解决了以淀粉葡萄糖为原料，存在与人争粮的问题；植物天然产物细胞工厂以工业生物合成替代植物种植提取，颠覆传统植物药物产业的生产模式、保护生态环境资源。

针对不同生物制造需求，实验室需要解决如何快速、灵敏（高通量）地选育和优化细胞工厂的难题，即从初始细胞工厂筛选高性能细胞工厂。于是，实验室科研团队研发了细胞工厂高通量筛选技术装备，完成第一台成型机设计加工，具有较高的成本优势，并且操作简便。

年轻的科研团队

发展至今，中科院系统微生物工程重点实验室研究团队平均年龄约33岁，其中40岁以下研究人员占固定人员总数的88%。张学礼自己就是一位“80后”，他说：“虽然我们是一支年轻的科研团队，但正是这群年轻人组成了实验室科研队伍的中坚力量。”

当前，实验室已经组建了2个创新研究团体：中科院科技创新交叉与合作团队“化学品合成的人工细胞工厂构建与应用”；天津市高层次创新创业团队“微生物细胞工厂设计创新团队”，该团队入选为天津市A类重点领域创新团队。

张学礼表示，我们希望借助系统微生物工程构建更多的细胞工厂，拓展化学品生物制造的种类，力争更多产品实现产业化生产，进一步实现资源、能源和环境的可持续发展。