上海交大青年教授提出光驱动“细胞工厂”:以CO?代替葡萄糖,碳中和的同时高

 2021-02-20 04:26  109人阅读   双一流大学网

  早在一个世纪以前,现代有机光化学之父 Giacomo Luigi Ciamician 就曾提出真正的绿色合成是采用类似植物的方式来生产化合物。但到底如何实现这样的绿色合成呢?这个问题困扰着学界多年。直到近些年,伴随着合成生物学的快速发展,“绿色合成途径” 的难题才取得一些实质性的突破。

  “所谓合成生物学,就是利用工程设计的理念改造或创造生物,让其能够完成我们所设定的各种任务。这包含两个层面,一方面是对已有的生物改造;另一方面是创造新的生物体。”上海交通大学的特别研究员、长聘教轨副教授倪俊告诉 DeepTech。

  关于合成生物学的应用,倪俊表示非常广泛,细胞工厂就是一个典型应用,通过对微生物的改造来定向生产人们需要的产物。比如用微生物生产可降解塑料,从而避免化工塑料对环境的污染;再比如用微生物生产青蒿素,可以大幅降低制造成本等等。

  而光合细胞工厂,可看作是传统细胞工厂的升级版。“光合细胞工厂是基于光合微生物发展起来的一种新型合成生物技术。” 他说,“我们通常用的是蓝藻,这种微生物遗传操作非常简单,生长比较快,它可以直接利用太阳能驱动 CO? 来合成产物,还能表达几乎所有植物源的基因,而且蓝藻细胞内的环境非常适合作为植物天然化合物的生产平台。”

上海交大青年教授提出光驱动“细胞工厂”:以CO?代替葡萄糖,碳中和的同时高


  图丨光合细胞工厂(来源:受访者)

  光合细胞工厂能够直接利用 CO? 和太阳能合成包括白藜芦醇、花青素、青蒿素等具有较高市场价值的植物天然产物,同时缓解了当今世界所面临的 “气候” 和 “健康” 两大难题,既吸收了温室气体 CO?,又能带来有价值的产物,可谓一举两得,毫不夸张地说,这堪称现实版的 “点石成金”。

  光合细胞工厂生产周期更快、效率更高、成本更低

  以往,人们需要植物天然化合物时,就会从相应植物中进行提取,这是传统化工业通用的方法,但这也面临两大难题:其一,植物生长周期慢,难以快速获得;其二,植物体内化合物的含量极低,难以大量获得。这就直接导致很多植物天然产物的制造成本居高不下。

  光合细胞工厂带来了转机,它直接用光合微生物进行加工生产,不论是周期、效率以及产量都有着质的飞跃。相较于传统细胞工厂,光合细胞工厂摆脱了对于底物的依赖。“光合细胞工厂不再使用葡萄糖作为底物,而是使用温室气体 CO? 来生产我们所需要的目标产物,因此生产成本更低,生产过程也更加环保。”倪俊表示。

  如果把蓝藻细胞比作一个微型工厂,将不同的、定制的生产线引入到细胞当中,那么就可以生产所需要的产物,并且在一个体系中,通常会有上亿个这样的细胞工厂同时工作,因此效率非常高。

  倪俊介绍道,他在读博期间接触的第一个项目就是用微生物生产香兰素。

  香兰素是一种大规模使用的香料,传统方法是从芸香科植物香荚兰豆中进行提取,但由于植物的生长周期很长而且含量非常低,导致香兰素的提取变得非常困难。他的课题组开发出香兰素发酵技术,用微生物生产香兰素,把成本降低了 100 倍以上,生产周期只有 3 天左右,100 立方米的发酵罐的香兰素产量与上万亩香荚兰豆的香兰素产量相当。

上海交大青年教授提出光驱动“细胞工厂”:以CO?代替葡萄糖,碳中和的同时高


  图|光合电子链的可塑性机制示意(来源:受访者)

  另外,倪俊还提出了光合电子链的可塑性机制,这进一步提升了光合效率。以生产一吨白藜芦醇为例,相比传统生产过程,使用这种方法可将生产周期缩短 240 倍,节约 72000 余亩土地,同时吸收超过 2000 吨 CO?。

  对于目前依然形势严峻的新冠疫情,由光合细胞工厂生产的柚皮素,能够起到预防和治疗的效果。“包括柚皮素在内的很多天然化合物在植物中的含量非常低,并且植物生长周期长,因此很难在短时间内大量获取,而光合细胞工厂则能快速且大量地生产这些植物天然产物,以应对大规模传染病。” 他说。

  倪俊还表示,他们最近正在开发基于替代磷源的光合细胞工厂,可实现敞开式化合物的生产发酵,从而能省去灭菌成本、以及发酵罐设备成本,届时整体生产成本将会进一步降低。

  在 MIT 萌生技术产业化思考,回国后他开创光驱动合成生物平台

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