清华团队以谷氨酸棒杆菌为底盘合成1,3-丙二醇，打破国外垄断

有机醇特别是二元醇是一类极为重要的化学品，可广泛用于合成聚酯、聚氨酯、聚醚多元醇等高性能材料。近年来生物法生产 1,3 - 丙二醇（1,3-PDO）、1,4 - 丁二醇（1,4-BDO）、1,3 - 丁二醇（1,3-BDO）等取得了重要进展，已经实现了工业化生产。

1,3 - 丙二醇（1,3-PDO）作为一种重要的 C3 平台化合物，其最重要的用途是与对苯二甲酸缩聚生成对苯二甲酸丙二醇酯（PTT），PTT 作为一种新型聚酯纤维，相较于 PET 具有抗皱、抗污染、易成型和常温下易染色等，备受产业关注。

目前 1,3 - 丙二醇的工业生产 90% 以上是采用生物法，21 世纪初期，美国杜邦公司成功利用工程菌将玉米水解的葡萄糖转化为 1,3 - 丙二醇，从此，杜邦在生物发酵法生产 1,3 - 丙二醇技术上形成了高度垄断。

“很多国家的企业和大学都在研究 1,3 - 丙二醇的生物合成，但大规模商业应用一直存在问题，一方面是由于杜邦专利的垄断，另一方面产业化过程也存在种种技术壁垒，还有就是经济性的问题。” 陈振说道。

陈振于 2001 年 - 2008 年在清华大学化学工程系本硕连读，硕士阶段还在东京工业大学联合培养，并拿到了该校的硕士学位。硕士毕业后，前往德国汉堡工业大学攻读博士，2012 年 - 2013 年在汉堡工业大学从事博士后研究工作，2013 年起在清华大学化工系工作，主要是开发面向工业应用的合成生物学新方法，包括非天然途径设计、新功能酶的挖掘与改造、原子经济的产品设计工程等，相关技术成功应用于氨基酸及衍生物、生物基二元醇、精细化学品等重要产品的工业化生产。

陈振所在的清华大学应用化学研究所团队从 2000 年左右就开始研究以甘油为原料生产 1,3 - 丙二醇，是国内外最早实现生物法 1,3 - 丙二醇产业化的课题组之一，解决了高端材料卡脖子的技术难题。

当前国内开展 1,3 - 丙二醇研究工作的团队有很多，但多数以甘油为原料生产 1,3 - 丙二醇。“很早之前我们就意识到，利用甘油生成 1,3 - 丙二醇这种路径有一定的问题。甘油虽然是生物柴油的副产物，但也在其他领域有应用，其价格波动非常厉害。” 因此陈振所在课题组很早就开始研究如何突破已有过程，目前已实现利用多种原料如葡萄糖、木糖、蔗糖和纤维水解液直接生产 1,3 - 丙二醇。

建设万吨级的糖基 1,3 - 丙二醇生产装置

从 2013 年回到清华任教，陈振一直在构建 1,3 - 丙二醇的非天然生物合成途径，目前该团队可以谷氨酸棒杆菌为底盘细胞实现多原料到 1,3 - 丙二醇的转化。谷氨酸棒状杆菌是一种重要的工业底盘，已被广泛用于氨基酸和有机酸的生产。“谷氨酸棒杆菌被认为是生物安全的，具有非常强的工业鲁棒性，能够抵抗各种环境胁迫和噬菌体；并且能够适应不同原料，具有重要的应用潜力。”

近日，陈振所在的课题组发表了名为 “Systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for high-level production of 1,3-propanediol from glucose and xylose” 的论文，通过系统的代谢网络模拟对谷氨酸棒杆菌以底盘的 1，3 - 丙二醇合成过程进行设计，发现通过利用谷氨酸棒杆菌的丙酮酸 - 草酰乙酸 - 磷酸烯醇式丙酮酸循环可以在不破坏 PTS 的葡萄糖转运系统下高效地合成 1，3 - 丙二醇，为 1,3 - 丙二醇的生物制造提供了不同于杜邦的设计与优化方案，并且该路线具有更广的底物利用谱，可以有效地利用葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维水解液等为原料生产 1，3 - 丙二醇。

图丨用于设计和创建用于 1,3 - 丙二醇生产的工程谷氨酸棒杆菌的代谢工程策略（来源：研究论文）

“这一技术不但可以实现多种原料到 1,3 - 丙二醇的转化，生产过程也不需要用到酵母粉等昂贵的辅料，经过中试过程的优化，产量、得率、生产效率、产品纯度等关键指标达到或超过了杜邦的工业化水平。” 陈振表示。

除了这篇文章阐述的以甘油为中间代谢物的技术路线，陈振团队已开发多个非天然的 1，3 - 丙二醇生物合成途径，可以在无需添加维生素 B12 的条件下直接转化多种原料合成 1,3 - 丙二醇，包括以高丝氨酸或三羟基丙酸为中间代谢物的人工途径，可以进一步降低 1，3 - 丙二醇的生产成本。

“过去几年，我们已建成两个以甘油为原料年产万吨级 1,3 - 丙二醇的工业装置，目前正在建设一个以糖为原料的年产万吨级 1,3 - 丙二醇新的工业装置，我们的目标是将合成生物学与工程技术相结合，推动技术的持续发展，成为国际 1，3 - 丙二醇合成技术和产业的引领者”。

他也透露，除了谷氨酸棒杆菌，其课题组所做的另外一个合成生物学平台是需钠弧菌（目前发现的生长最快的微生物），当前实验室除了生产 1,3 - 丙二醇，也在开发乙二醇、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单体以及燕窝酸、伊可多因等高附加值产品的合成技术。

提高生物转化过程的原子经济性对于提高生物制造产业的经济竞争性具有重要意义

如何提高生物合成过程的经济竞争性是合成生物学技术迈向产业化的难点之一。

“利用合成生物学进行生物合成设计时通常的目标是尽可能减少副产物的生成，使原料尽可能转化成单一的产品，但对很多产品而言，这一过程的原料利用效率是很低的，比如葡萄糖中的氧大部分会变成二氧化碳等，使得原料到产物的质量转化率低于 50%。而传统化工过程如石油炼制过程，虽然也会产生多种副产物，但它会把所有产品分离出来变成有用的产物，实现原料的充分利用，这种炼制的概念对于提高生物过程的经济竞争性具有重要借鉴意义。”

陈振团队凭借着化学工程背景，较早地提出和应用 “原子经济的产品设计工程” 这个概念去克服生物转化过程原子利用低的问题，提高生物制造过程的经济性。

图丨生产 1,3 - 丙二醇的工厂（来源：受访者）

原子经济性：

最早由美国斯坦福大学的 B.M.Trost 教授提出，他针对传统上一般仅用经济性来衡量化学工艺是否可行的做法，明确指出应该用一种新的标准来评估化学工艺过程，即选择性和原子经济性，原子经济性考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到了产品之中，这一标准既要求尽可能地节约不可再生资源，又要求最大限度地减少废弃物排放。B.M.Trost 获得 1998 年美国 “总统绿色化学挑战奖” 的学术奖。

陈振告诉生辉 SynBio，“合成生物学赋予了途径设计的巨大潜能，原子经济的产品设计工程概念其实就是在利用合成生物学工具设计生物合成系统时，对原料体系和产品体系进行全面的考量和设计，综合考虑原料和产品的还原度、产品物理化学特性、原料和产品的价值等，设计原子和还原度偶联的生物转化系统，以实现整个生物制造过程高的原子利用率，同时产品又能够便于分离。如在设计途径时，不一定考虑单一原料，可以将不同还原度的原料耦合在一起，在生物转化的过程中可以互补，从而达到更高的转化效率。”

“或者在设计细胞工厂的产品体系时，综合考虑原料成本、分离成本、产品价值，可将不同物理特性的产品耦合在一起，将原料转化为原子互补且便于分离的产品，提高整个生物转过过程的经济竞争性。”

写在最后

采访最后，陈振和生辉 SynBio 分享了他在培养学生方面的一些心得体会。他认为大学需要培养综合型人才，要培养学生系统性和创新性的思维，能从不同的角度去看待和思考问题。

其次要有独立的判断力，要站在更高的视角去思考合成生物学的未来，既要了解学术前沿也要从实际工业问题和需求去考虑问题，结合科学、工程和经济的视角看待新技术，开发更有针对性的技术解决方案。

最后要注重学科交叉，现在生物领域不断变革，因此需要多方面的能力，将化工、自动化、计算机和生物进行系统整合。