生物制造产业的生产原料从粮食向非粮原料转变是一个必然趋势｜We Talk SynBio

2024-01-17

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工业革命以来，在快速现代化的发展过程中，基于人类社会与自然环境之间正反两方面的经验教训，人们逐渐认识到以往以化石能源为主的高碳增长模式，正在不断地改变人类赖以生存的自然环境，日益频繁的极端气候事件已开始影响人们的生产生活，呈现出不可持续的发展态势。从1992年的《联合国气候变化框架公约》到1997年的《京都议定书》、2007年的“巴厘路线图”、2009年《哥本哈根协议》、2015年的《巴黎协定》等国际性公约和文件，推动全球零碳进程不断加快。自2020年习主席提出“双碳”目标以来，构建更加绿色可持续发展的生产制造模式成为必然趋势。随着生物技术发展特别是合成生物学相关技术的进步，绿色、低碳和可再生的生物制造和生物基材料成为行业关注的焦点。随之而来，这种属于“未来”的生物制造方式也面临着“与民争粮”的困境，发展非粮生物材料制造成为实现绿色生物制造的关键。2023年1月，工信部等六部门印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，提出到2025年，非粮生物基材料产业基本形成自主创新能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态，非粮生物质原料利用和应用技术基本成熟，部分非粮生物基产品竞争力与化石基产品相当，高质量、可持续的供给和消费体系初步建立。 2024年第二届合成生物学产业博览会（SBC2024）特设“非粮原料”专题论坛。会前，《佰家言》有幸采访到武汉睿嘉康生物创始人杨世辉教授，与他探讨大宗醇酸非粮合成生物制造的发展现状和挑战，以及合成生物学在生物制造的广阔前景和未来趋势。使用非粮原料是生物制造产业的必然趋势1、佰傲谷BioValley：发展生物制造产业实现化工原料和过程替代，是国家力推的重点方向。我国也持续出台了一系列非粮原料资源化利用政策，您能否简单分析下生产原料从粮食向非粮原料转变的趋势和其中的挑战？杨世辉：生物制造产业的生产原料从粮食向非粮原料转变是一个必然趋势。对于需求量巨大的大宗醇酸产品，生产原料供应足、成本低是最需重点关注的问题。目前的生物制造仍主要以玉米等粮食或甘蔗等经济作物为原料进行生产，存在与人畜争粮、与粮林争地等问题。我国的秸秆、玉米芯等非粮废弃生物资源丰富，可收集资源量占比高。其中，秸秆每年约8 ~ 10亿吨，玉米芯约5500万吨。除此之外，废弃淀粉、水华藻体、酒糟等废弃生物资源也很丰富。但目前原料化利用占比低，直接焚烧还会引起环境污染。我国持续出台了一系列非粮原料资源化利用政策，包括2023年工业和信息化部等六部门联合印发的《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，强调加强粮食监管，加大力度推动非粮原料应用。因此，建立自主可控的非粮生物质原料高效利用关键核心技术，是大宗醇酸化合物生物制造可持续发展的重大需求和关键。非粮原料复杂成分及抑制物是制约其产业化应用的关键。非粮原料由于成分复杂，经过预处理与酶解产生的水解液中抑制物成分多、含量高，抑制工业菌株的生长和发酵生产。针对这一痛点，目前主要的解决思路为对木质纤维素中的纤维素、半纤维素、木质素进行剥离，减少预处理过程中抑制物的浓度，或去除水解液中的抑制物，从而提高菌株对水解液糖的利用率；这些方法步骤繁琐、效率低，且会增加额外成本。因此，筛选构建在抑制物存在下高效利用水解液混合糖（五碳糖与六碳糖）的高产稳产工业菌株是解决当前非粮大宗醇酸生产经济性的核心。2、佰傲谷BioValley：降本增效是生物制造行业市场竞争成功关键因素，请您结合本次大会分享主题谈谈如何通过工业菌株的设计、构建与应用实现竞争力提高？杨世辉：开发具有自主知识产权的高产稳产菌株是提高市场竞争力的关键，其改造方向与策略主要围绕着底物利用、产品生产、鲁棒性等三个方面，具体包括： 1）基于合成生物学技术技术平台的开发：如高效基因编辑工具开发完善、生物元件的挖掘与鉴定、代谢途径的理性设计组装、关键酶的设计与优化；2）鲁棒性强的工业菌种开发：以非粮原料为例，由于成分复杂，经过预处理与酶解产生的水解液中抑制物成分多、含量高，严重抑制了工业菌株的生长、发酵及产业化应用，因此亟需开发耐受抑制物、鲁棒性强的工业菌株；3）结合模式菌株与非模式菌株优势开发高产稳产工业菌株：运动发酵单胞菌等非模式菌株天然具有理想细胞工厂所需的优异特性，性能稳定且耐受极端条件，具备独特优势，可以作为生产相关产品的底盘细胞；同时模式菌株研究充分、遗传改造工具多样、信息丰富，可以为高产稳产工业菌株改造提供数据及工具支撑；工业菌株构建应结合二者优势；4）IT+AI+BT新模式：以数据驱动的生物制造新模式，已经在如生物医药等领域展现出强劲的推动力，未来在非粮生物质开发的工业领域将广泛推动底层开发，包括菌种的基因组尺度代谢网络模型，高品质数据和新型数据挖掘和分析算法等，将显著提高对工业菌株物质代谢、能量代谢、生理代谢及信息代谢的认识，提升对高产稳产菌株的理性设计、高效筛选及应用效率。武汉睿嘉康建立了一系列具有自主知识产权的工业菌株设计、构建与改造的技术体系与平台：如生物元件、代谢模块、基因组细胞模型、数据分析平台及数据库，也具有酶改造平台、基因编辑体系、菌株优化鉴定平台等技术体系，实现了合成生物学“设计-构建-测试-学习”循环的全方位布局，可快速获得利用不同非粮原料生产多种大宗平台化合物的系列高产稳产工业菌株，建立了多倍体非模式工业菌株合成生物学技术堡垒，攻克利用非粮原料生产平台化合物缺乏具有自主知识产权高产稳产工业菌株的“卡脖子”问题。3、佰傲谷BioValley：非粮生物质糖化路径和非粮生物质直接发酵产品是当前阶段并行的两个开发路线，您认为他们的优缺点或者未来潜力有哪些区别？杨世辉：非粮生物质糖化路径、非粮生物质直接发酵产品是并行的两个开发路线，都具备一定的未来潜力。非粮生物质糖化路径目前看来更具灵活性和产业化可能性，能有效地与现有产业耦合衔接，为下游产业强力赋能；非粮生物质直接发酵生产可以规避当前非粮生物质开发中面临的预处理与酶解与发酵步骤多成本相对较高等实际问题，但其糖化效率与生产周期成本需要更多评估。随着未来技术的发展，两种开发路线可能都将展现不同的生物制造“魅力”。4、佰傲谷BioValley：近期，ChatGPT的爆火引发了人们对AI或者数字驱动的高度关注，在非粮生物质开发领域，您能否跟我们分享下目前AI或者数据挖掘等工具的应用情况及未来趋势？杨世辉：近年来，AI人工智能技术迅猛发展，正在赋能生物制造领域，开启范式变革。如在核心元件蛋白质的设计方面AI技术发挥了巨大的作用：通过人工智能技术，预测蛋白质结构、设计蛋白质功能，可以极大地扩展人工改造生命体的应用场景，变革性地推动绿色生物制造的发展。如中国科学院微生物研究所的吴边团队通过人工智能计算技术，赋能传统微生物资源，在世界上首次完成了工业级工程菌株的计算设计，获得人工智能驱动生物制造工业化的率先突破。在产业化领域，领先的AI蛋白质设计平台公司分子之心已于2023年2月宣布获得合成生物学龙头凯赛生物、联想创投、红杉中国超一亿元战略投资，用于AI蛋白质优化与设计平台MoleculeOS进一步开发，以及在生物制药、合成生物学等产业领域的应用探索。再如AI人工智造正在取代新型生物基材料的成本高昂的试错法：如2023年3月，晶泰科技与中科国生合资创立的生物基新材料研究公司新生泰科技宣布获得重大突破，其 AI 新材料发现平台基于晶泰科技的底层技术开发，在与广东省科学院化工研究所的合作中，仅用 4 个月时间，便设计出两款性能卓越的生物基表面活性剂，可替代市面主流的石油基产品，同时显著降低研发成本与时间，打造了极具竞争力与市场价值的生物基材料；国内还有中科国生（杭州）科技有限公司也走在了同行业前列，利用人工智能和高通量合成机器人技术已全面启动AI+生物基新材料的研发。未来AI技术在在非粮生物质开发的工业领域将广泛推动底层开发：如菌种的基因组尺度代谢网络模型，高品质数据和新型数据挖掘和分析算法等，将显著提高菌株改造与工业发酵过程的效率。我们已与天津工业生物技术研究院马红武研究员团队合作构建了运动发酵单胞菌的高质量基因组尺度代谢模型，作为底盘细胞扩展产品谱系提供新工具，指导细胞工厂的理性设计；再如借助AI蛋白质设计优化新产品研发的全流程进行多目标优化，实现对生物制造流程的精简，从而实现降本增效的目标，最终实现从头设计蛋白质产品，综合考虑市场需求、产品设计、生产环节等各方因素，真正成为深刻理解生物制造内核需求的“ChatGPT”式产业解决方案，获得更大的应用空间和商业价值。武汉睿嘉康在非粮生物质生产大宗醇酸领域具有领先优势5、佰傲谷BioValley：目前生物基材料成本尚普遍高出同类石油基产品，睿嘉康生物选择非粮生物基原料生产大宗C2-C5醇酸这个领域基于怎样的综合考虑？杨世辉：大力发展生物制造产业，是实现化工原料和生产过程替代的重点方向。《“十四五”生物经济发展规划》中明确强调，将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展的方向。生物制造可以利用天然可再生原料，实现多种醇酸平台化合物的生物合成，相比化学合成，生物制造可以降低工业过程中能耗、物耗、废弃物等污染，具有绿色、经济、可持续发展的特点。非粮生物质产品具有减碳功能。例如纤维素乙醇与汽油相比可以减碳85%；随着中国双碳目标的制定及欧盟碳关税政策的执行，碳排放配额价格趋于上升，非粮乙醇更显重要，其经济性也更为可观。例如，中国市场碳排放配额价格已经从去年50元/吨涨到目前的~85元/吨，而欧盟已经是90美元/吨。这将导致有机碳化合物尤其是生物质燃料与材料需求大幅提升，供不应求，目前生物质燃料乙醇在国际上处于卖方市场，价格比玉米乙醇（预计增加碳排放25%）溢价近70%。大宗醇酸产品应用广泛，具有万亿市场规模，是未来生物经济的重要组成部分。而在大宗醇酸产品中，90%聚集在C2-C5产品，这也是武汉睿嘉康重点布局的大宗醇酸产品管线，如大宗醇中的燃料乙醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、异丁醇，以及有机酸中的乳酸、丁二酸。我们所使用的底盘细胞运动发酵单胞菌，是一个独特的兼性厌氧发酵工业菌株，它是目前唯一已知在厌氧情况下利用ED途径的菌株，底物转化率高；其独特的藿烷膜结构使其对醇酸类化合物尤其是醇的耐受性更高；同时，其所具备的对酸性pH耐受性强、抗噬菌体、基因组稳定等天然工业生产优势特性，使其成为通过合成生物学技术改造为大宗醇酸生产细胞工厂的优良底盘细胞。武汉睿嘉康非粮高值化利用技术体系具有突出优势。我们利用系统与合成生物学技术，以对抑制物耐受性好、糖醇转化效率高、生产方式简单、副产物少的天然乙醇生产菌株运动发酵单胞菌为底盘，挖掘鉴定了水解液抑制物及环境胁迫耐受与转化元件，提高了生产菌株对水解液中普遍存在的糠醛和乙酸等抑制物、发酵过程中环境因素温度与pH改变，以及不断积累的乙醇等有毒产品的耐受性，突破了非粮原料利用发酵周期长、副产物含量高、转化率低、成本难以降低的痛点。从而，我们的技术可以助力非粮生物质原料高值化利用，以规模化生产具有广泛应用前景的大宗醇酸类产品。6、佰傲谷BioValley：产业化是生物制造领域的一大挑战，Amyris也由于此问题选择从化工品市场转向了消费品市场。睿嘉康已有纤维素乙醇、乳酸等产品的小试、中试发酵经验，可否分享一下睿嘉康在这个过程的收获及后续更大规模的商业化生产面临的挑战？杨世辉：合成生物技术开发非粮资源的产业难点是缺乏高效利用“脏糖”水解液的高产稳产工业菌株。非粮原料，特别是木质纤维素原料，主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，需要经过预处理及酶解释放纤维素的葡萄糖单体及半纤维素的五碳糖。但是，预处理和酶水解过程中产生的抑制物对后续微生物发酵产生抑制作用，导致五碳糖和六碳糖共利用难。优良的微生物菌种是合成生物制造的“芯片”，然而，目前常用的工业菌株对抑制物耐受性较差，尤其是可高效利用木质纤维素水解液的菌株匮乏。这是由于目前工业生产菌株改造对象主要是遗传工具丰富的模式微生物，或者是具备优良生产性能但遗传工具缺乏的非模式微生物。这些微生物往往不能利用木糖等五碳糖，同时对水解液中的抑制物耐受性差，影响细胞生长，导致水解液中的五碳糖与六碳糖高效共利用难，这是目前常用的工业菌株基本都面临的共性问题。运动发酵单胞菌在非粮原料利用方面优势明显。（1）菌株为兼性厌氧菌，厌氧发酵无需通氧，比好氧发酵节省30~50%成本；同时不需要严格厌氧菌发酵所需要的复杂氧气控制设备；（2）菌株耐受酸性pH，可以直接利用酸性的酶解液发酵，酶解液及发酵罐无需灭菌，无需添加碱性调节pH，同时避免杂菌污染，降低成本；（3）基因组小，代谢简单，是目前唯一已知可在厌氧条件下通过ED途径代谢生产乙醇的微生物，乙醇得率高，发酵结束几乎无副产物，下游分离纯化简单，成本低；（4）无噬菌体侵染，减少批量生产中噬菌体污染倒罐的风险;（5）菌株为多倍体工业菌株，工程菌株基因组稳定，菌株性能不退化；（6）菌株具有自主知识产权，不存在“卡脖子”问题。武汉睿嘉康开发了一系列该非模式工业菌株的生物元件挖掘鉴定及基因编辑改造工具体系，建立了菌株特异的生物元件库、组学分析流程及数据库、文献数据库等在内的一站式数据库，便于细胞工厂的快速改造与开发迭代。后续的挑战将是工业化下游产品的分离纯化及生产销售，我们将与知名企业合作，发挥各自优势，打造合成生物制造与市场企业之间的良好生态链，共同推动生物经济蓬勃发展。7、佰傲谷BioValley：请您展望一下武汉睿嘉康生物近几年的战略规划，比如纤维素燃料乙醇的产业化落地将在何时实现？杨世辉：目前武汉睿嘉康的重点是推动纤维素燃料乙醇的产业化落地。全球燃料乙醇目前产量为9000万吨，市场价值6000多亿元；中国燃料乙醇需求为1600万吨左右，由于粮食及经济作物原料成本高（例如玉米价格近3000元/吨），使粮食乙醇生产企业基本处于不盈利甚至亏损的状态，去年产量仅200多万吨。·因此，非粮原料的生产应用是必然趋势，有巨大的市场需求和政策支持，也有充足的原料支撑需要大量生物质原料的合成生物制造。同时，考虑到减碳效应，非粮燃料乙醇处于卖方市场，供不应求。但目前纤维素乙醇暂未实现大规模产业化。武汉睿嘉康利用不同工业废弃生物质原料生产燃料乙醇，生产成本大幅度降低，能够进入产业化阶段，目前正在推进千吨级规模中试放大。除此之外，武汉睿嘉康已经构建成功乳酸生产菌株，也实现了其他醇酸产品途径的建立，后续将按照产品管线逐步开展乳酸、异丁醇、丙二醇、丁二醇和丁二酸等产品的小试验证、中试放大验证及示范线建设。绿色生物制造未来可期8、佰傲谷BioValley：工业菌种是发酵产业的焦点和关键，国内生物制造中具有自主知识产权的菌种占比还比较低。我们知道您的团队在2019年即开发了运动发酵单胞菌内/外源CRISPR-Cas基因编辑系统，建立了运动发酵单胞菌生物元件强度预测及定量检测系统。这些工具体系是否可大规模推广于其他非模式工业菌株的筛选和构建？杨世辉：武汉睿嘉康建立的基于合成生物学全方位布局的的技术体系，不仅可快速获得利用不同非粮原料生产多种大宗平台化合物的系列高产稳产工业菌株，也建立了多倍体非模式工业菌株合成生物学技术堡垒，为其他非模式菌株的筛选和构建提供范例。如运动发酵单胞菌生物元件强度预测及定量系统能在较短的时间批量化筛选及鉴定不同强度的启动子，并能进行量化分析；可以快速高通量的筛选并定量不同强度的启动子以及其他的生物元件，可以快速扩充运动发酵单胞菌的生物元件库，用于不同需求的代谢工程改造，同时也可以用于其他微生物体系，也为代谢工程与合成生物学提供多样的生物功能及调控元件。再如运动发酵单胞菌内源I-F型CRISPR-Cas内源基因组编辑方法，实现了包括基因删除和替换（效率为100%）、原位修饰（100%）、大片段删除（>10kb）及同时进行多个基因编辑（18.75%）等多种基因组改造，提高了运动发酵单胞菌基因编辑改造效率，为合成生物学底盘细胞的构建提供了有力的技术支撑，也为挖掘其他物种内源CRISPR-Cas系统，建立高效编辑系统提供了范例。同时，我们与天津工业生物技术研究院马红武研究员团队合作构建高精度基因组模型及知识数据库的工作也可以应用于其他工业菌株。9、佰傲谷BioValley：2023年的iGEM，您团队指导的湖北大学研究生团队HUBU-China以零碳可持续航空燃料(Zero-carbon SAF : Leading the Future of Sustainable Flight)获得了研究生组金奖。团队创新性地采用了异源卡尔文循环途径，结合合成羧基体进行CO2浓缩和固定，异丁醇发酵过程中释放的CO2被吸收并再次转化为异丁醇，实现了高效的零碳异丁醇生产。结合目前在CO2固定方面的一些进展，您觉得这样的零碳生产过程在将来的产业化中能实现吗？杨世辉：科技创新既是实现绿色低碳转型的必要条件，也是迈向零碳产业链的最佳路径。生物法固定CO2具有催化温和、高效、高产物选择性等特点，因此生物固碳是目前的碳固定转化的研究热点之一。近年来，包括天津工业生物技术研究院、深圳先进研究院等科研单位在内的国内外科研工作者们在创新设计实现、优化并在各种体外与体内固定CO2系统中取得了巨大突破，使我们能够设计出自然界中不存在的CO2固定新途径，且其效率可超越现有的自然固碳途径。随着技术不断发展和研究不断的深入，途径不断得到挖掘和设计，关键酶性能进一步优化，这些都使得该方向未来的产业化应用成为可能；当然目前其效率尚需进一步提升，尤其是CO2固定过程中能量的供应及关键酶的改造需要进一步完善。10、佰傲谷BioValley：想请您对我们即将举行的SBC会议提一些建议？杨世辉：2023年10月底我们在武汉组织的四届国际生物设计研究大会暨现代生物技术发展与应用国际学术研讨会，目标是联结“政产学研金服用”全链条人员，深入研讨生物技术创新和产业发展趋势，共同谋划生物技术发展路径；也期望本次会议进一步凝聚不同领域人士，为合成生物制造创新突破、生物经济创新发展注入新动能。近期活动由南京江北新区生命健康产业发展管理办公室、中国微生物学会等单位指导的2024第二届合成生物学产业博览会（SBC2024），将于4月12-13日在南京扬子江国际会议中心召开，本次博览会以“建物致知·建物致用”为主题，汇聚业界专家聚焦合成生物学颠覆性技术，共话合成生物未来蓝图，助力合成生物产业的蓬勃发展。武汉睿嘉康生物创始人杨世辉教授将出席本次大会“非粮原料专场”，并作主题为“非模式工业菌株重编程优化及产业化应用”的演讲报告，诚邀各位同仁参与。点击“阅读原文”，查看更多会议信息~