清華團隊以谷氨酸棒桿菌為底盤合成1,3-丙二醇，打破國外壟斷

有機醇特別是二元醇是一類極為重要的化學品，可廣泛用於合成聚酯、聚氨酯、聚醚多元醇等高性能材料。近年來生物法生產 1,3 - 丙二醇（1,3-PDO）、1,4 - 丁二醇（1,4-BDO）、1,3 - 丁二醇（1,3-BDO）等取得了重要進展，已經實現了工業化生產。

1,3 - 丙二醇（1,3-PDO）作為一種重要的 C3 平台化合物，其最重要的用途是與對苯二甲酸縮聚生成對苯二甲酸丙二醇酯（PTT），PTT 作為一種新型聚酯纖維，相較於 PET 具有抗皺、抗污染、易成型和常溫下易染色等，備受產業關注。

目前 1,3 - 丙二醇的工業生產 90% 以上是採用生物法，21 世紀初期，美國杜邦公司成功利用工程菌將玉米水解的葡萄糖轉化為 1,3 - 丙二醇，從此，杜邦在生物發酵法生產 1,3 - 丙二醇技術上形成了高度壟斷。

“很多國家的企業和大學都在研究 1,3 - 丙二醇的生物合成，但大規模商業應用一直存在問題，一方面是由於杜邦專利的壟斷，另一方面產業化過程也存在種種技術壁壘，還有就是經濟性的問題。” 陳振說道。

陳振於 2001 年 - 2008 年在清華大學化學工程系本碩連讀，碩士階段還在東京工業大學聯合培養，並拿到了該校的碩士學位。碩士畢業後，前往德國漢堡工業大學攻讀博士，2012 年 - 2013 年在漢堡工業大學從事博士後研究工作，2013 年起在清華大學化工系工作，主要是開發面向工業應用的合成生物學新方法，包括非天然途徑設計、新功能酶的挖掘與改造、原子經濟的產品設計工程等，相關技術成功應用於氨基酸及衍生物、生物基二元醇、精細化學品等重要產品的工業化生產。

陳振所在的清華大學應用化學研究所團隊從 2000 年左右就開始研究以甘油為原料生產 1,3 - 丙二醇，是國內外最早實現生物法 1,3 - 丙二醇產業化的課題組之一，解決了高端材料卡脖子的技術難題。

當前國內開展 1,3 - 丙二醇研究工作的團隊有很多，但多數以甘油為原料生產 1,3 - 丙二醇。“很早之前我們就意識到，利用甘油生成 1,3 - 丙二醇這種路徑有一定的問題。甘油雖然是生物柴油的副產物，但也在其他領域有應用，其價格波動非常厲害。” 因此陳振所在課題組很早就開始研究如何突破已有過程，目前已實現利用多種原料如葡萄糖、木糖、蔗糖和纖維水解液直接生產 1,3 - 丙二醇。

建設萬噸級的糖基 1,3 - 丙二醇生產裝置

從 2013 年回到清華任教，陳振一直在構建 1,3 - 丙二醇的非天然生物合成途徑，目前該團隊可以谷氨酸棒桿菌為底盤細胞實現多原料到 1,3 - 丙二醇的轉化。谷氨酸棒狀桿菌是一種重要的工業底盤，已被廣泛用於氨基酸和有機酸的生產。“谷氨酸棒桿菌被認為是生物安全的，具有非常強的工業魯棒性，能夠抵抗各種環境脅迫和噬菌體；並且能夠適應不同原料，具有重要的應用潛力。”

近日，陳振所在的課題組發表了名為 “Systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for high-level production of 1,3-propanediol from glucose and xylose” 的論文，通過系統的代謝網絡模擬對谷氨酸棒桿菌以底盤的 1，3 - 丙二醇合成過程進行設計，發現通過利用谷氨酸棒桿菌的丙酮酸 - 草酰乙酸 - 磷酸烯醇式丙酮酸循環可以在不破壞 PTS 的葡萄糖轉運系統下高效地合成 1，3 - 丙二醇，為 1,3 - 丙二醇的生物製造提供了不同於杜邦的設計與優化方案，並且該路線具有更廣的底物利用譜，可以有效地利用葡萄糖、木糖、蔗糖、纖維水解液等為原料生產 1，3 - 丙二醇。

圖丨用於設計和創建用於 1,3 - 丙二醇生產的工程谷氨酸棒桿菌的代謝工程策略（來源：研究論文）

“這一技術不但可以實現多種原料到 1,3 - 丙二醇的轉化，生產過程也不需要用到酵母粉等昂貴的輔料，經過中試過程的優化，產量、得率、生產效率、產品純度等關鍵指標達到或超過了杜邦的工業化水平。” 陳振表示。

除了這篇文章闡述的以甘油為中間代謝物的技術路線，陳振團隊已開發多個非天然的 1，3 - 丙二醇生物合成途徑，可以在無需添加維生素 B12 的條件下直接轉化多種原料合成 1,3 - 丙二醇，包括以高絲氨酸或三羥基丙酸為中間代謝物的人工途徑，可以進一步降低 1，3 - 丙二醇的生產成本。

“過去幾年，我們已建成兩個以甘油為原料年產萬噸級 1,3 - 丙二醇的工業裝置，目前正在建設一個以糖為原料的年產萬噸級 1,3 - 丙二醇新的工業裝置，我們的目標是將合成生物學與工程技術相結合，推動技術的持續發展，成為國際 1，3 - 丙二醇合成技術和產業的引領者”。

他也透露，除了谷氨酸棒桿菌，其課題組所做的另外一個合成生物學平台是需鈉弧菌（目前發現的生長最快的微生物），當前實驗室除了生產 1,3 - 丙二醇，也在開發乙二醇、1,3 - 丁二醇、1,4 - 丁二醇和 1,5 - 戊二醇等其他生物基材料的單體以及燕窩酸、伊可多因等高附加值產品的合成技術。

提高生物轉化過程的原子經濟性對於提高生物製造產業的經濟競爭性具有重要意義

如何提高生物合成過程的經濟競爭性是合成生物學技術邁向產業化的難點之一。

“利用合成生物學進行生物合成設計時通常的目標是儘可能減少副產物的生成，使原料儘可能轉化成單一的產品，但對很多產品而言，這一過程的原料利用效率是很低的，比如葡萄糖中的氧大部分會變成二氧化碳等，使得原料到產物的質量轉化率低於 50%。而傳統化工過程如石油煉製過程，雖然也會產生多種副產物，但它會把所有產品分離出來變成有用的產物，實現原料的充分利用，這種煉製的概念對於提高生物過程的經濟競爭性具有重要借鑒意義。”

陳振團隊憑藉著化學工程背景，較早地提出和應用 “原子經濟的產品設計工程” 這個概念去克服生物轉化過程原子利用低的問題，提高生物製造過程的經濟性。

圖丨生產 1,3 - 丙二醇的工廠（來源：受訪者）

原子經濟性：

最早由美國斯坦福大學的 B.M.Trost 教授提出，他針對傳統上一般僅用經濟性來衡量化學工藝是否可行的做法，明確指出應該用一種新的標準來評估化學工藝過程，即選擇性和原子經濟性，原子經濟性考慮的是在化學反應中究竟有多少原料的原子進入到了產品之中，這一標準既要求儘可能地節約不可再生資源，又要求最大限度地減少廢棄物排放。B.M.Trost 獲得 1998 年美國 “總統綠色化學挑戰獎” 的學術獎。

陳振告訴生輝 SynBio，“合成生物學賦予了途徑設計的巨大潛能，原子經濟的產品設計工程概念其實就是在利用合成生物學工具設計生物合成系統時，對原料體系和產品體系進行全面的考量和設計，綜合考慮原料和產品的還原度、產品物理化學特性、原料和產品的價值等，設計原子和還原度偶聯的生物轉化系統，以實現整個生物製造過程高的原子利用率，同時產品又能夠便於分離。如在設計途徑時，不一定考慮單一原料，可以將不同還原度的原料耦合在一起，在生物轉化的過程中可以互補，從而達到更高的轉化效率。”

“或者在設計細胞工廠的產品體系時，綜合考慮原料成本、分離成本、產品價值，可將不同物理特性的產品耦合在一起，將原料轉化為原子互補且便於分離的產品，提高整個生物轉過過程的經濟競爭性。”

寫在最後

採訪最後，陳振和生輝 SynBio 分享了他在培養學生方面的一些心得體會。他認為大學需要培養綜合型人才，要培養學生系統性和創新性的思維，能從不同的角度去看待和思考問題。

其次要有獨立的判斷力，要站在更高的視角去思考合成生物學的未來，既要了解學術前沿也要從實際工業問題和需求去考慮問題，結合科學、工程和經濟的視角看待新技術，開發更有針對性的技術解決方案。

最後要注重學科交叉，現在生物領域不斷變革，因此需要多方面的能力，將化工、自動化、計算機和生物進行系統整合。