多酶协同催化体系变身生物制造“魔法钥匙”

◎冯 妍 本报记者 王 春

　　通过基因改造酒酿酵母等细菌，利用发酵即可合成各类原本需化学合成或从天然原料提取的化合物，这便是生物制造。华东理工大学教授魏东芝团队研发出的角鲨烯制造新工艺，一改以往只能从鲨鱼身上提取的传统方式，通过“定制酶”与酵母菌改造，让酵母“酿”出高纯度角鲨烯，20吨发酵罐单次产能可替代3000头鲨鱼的提取量。该产品已获国内外多项认证，广泛应用于疫苗佐剂、医药、化妆品、保健品等领域。

　　魏东芝团队攻克的这道生物制造难题，只是其“多酶协同催化体系及生物基产品绿色制造技术创新与产业化”项目在20余年发展中解决的诸多挑战之一。目前，由项目发展而来的“多酶协同催化体系”已实现20余种医药、化工等产品原料的生物制造，堪称生物基产品制造的“工具箱”。近日，2025年度中国石油和化学工业联合会科学技术奖揭晓，该项目获科技进步奖（含基础研究类）特等奖。

　　深耕底层，攻坚技术壁垒

　　对底层技术的执着，是这个“工具箱”能解决多项生物制造问题的关键。在微生物世界中，酶就像一把精密的“钥匙”，能开启各类催化反应通道，是生物制造的关键之一。然而，一个反应常常需要多种酶混合作用，且常会遇上流程断裂、效率低下等问题。

　　“如果把通过酶进行的反应比作搭积木，那么，简单混合后，这些‘积木’搭到一起的效率很低。但我们对酶进行了专门的设计，好比在积木上设置了能让它们搭到一起的卡扣，这样反应就更容易了。”魏东芝介绍，沿着这种“酶工程”的思路，团队研发的多酶级联生物催化技术使得多种不同的酶能够“步调一致”地高效协同工作。

　　更具挑战性的是长期坚持同一研究方向、持续开展攻关探索。“二十多年来，我们团队始终专注特定的研究方向，‘不为潮流所动’。”魏东芝说，“只有钻研和拥有自己独特的底层技术，才可能把一项工作做到极致。”

　　在角鲨烯制造工艺研发中发挥重要作用的多细胞器工程改造技术便是长期深耕同一研究方向的成果。“细胞跟人体一样，也有各种‘器官’——细胞器。把反应放在一个细胞器中进行，空间更紧凑，效率也更高。”魏东芝说，角鲨烯是该项技术协助实现的第一个重要化合物，但即便短期内没有重大项目的实际需求，团队仍会锚定该技术方向，开展系统性研发工作。这份坚守最终获得了丰厚回报：从角鲨烯的成功量产开始，该项技术开辟了数万种同类精细化学品生物制造的途径。“底层技术是通用的。万变不离其宗。”魏东芝说。

　　此外，团队还攻克了从海量基因中高效筛选目标酶的工业酶快速精准定制技术，实现了低成本、无抗生素添加、培养基100%国产化的发酵技术，并构建起拥有万余种自主知识产权酶的庞大酶库……在一项又一项底层技术的托举下，魏东芝团队构建的“多酶协同催化体系”成为一条“专业后厨流水线”。它以玉米、秸秆等可再生生物质为“食材”，多种功能各异的酶为“厨师”，在常温常压下一步完成原料拆解、转化、成型的全流程，绿色而高效地端出一道又一道化合物“菜品”。

　　面向产业，引领标准革新

　　在魏东芝担任所长的鲁华生物技术研究所一楼，几位学生正在几间前后连通的实验室里，观察反应器中的产物与仪器上的读数。在实验室的尽头，是一套大小约为半个房间的发酵罐系统，其容量为300升，设计标准与工业中的吨级发酵罐基本一致。这是研究所成立时魏东芝特地设计的一条完整的迷你生物制造“生产线”，其目标是系统解决从实验室摇瓶到百吨级发酵罐的传递、控制与优化等关键难题，实现技术成果向产业生产力的高效转化。

　　魏东芝团队从成立起，生产端的实际问题便被纳入其研究体系框架之中。

　　例如，团队在研发农药“L-草铵膦除草剂”的生物合成工艺时，虽然已经成功生成了目标产物，但它却和保持酶活性的“缓冲液”混杂在一起。分离纯化目标产物的过程非常复杂，实现量产的成本很高。

　　“从生产的角度出发，我们当时大胆设想，虽然‘酶必须在缓冲液里才有活性’是教科书上的概念，但为了简化这个反应体系，能不能让它在纯水里面依然有活性呢？”

　　这一思路创新，造就了关键性突破。全球首条年产万吨L-草铵膦除草剂生物合成生产线投产，打破国外技术垄断。生产线的原料利用率近100%，几乎无废水排放，与传统同类化工品生产线相比，其占地面积、总投资额及建设周期仅为十分之一。

　　“当前，这项成果已经写进了新的教科书。”魏东芝说。

　　团队坚持以产业需求牵引科研创新，已累计推动100多项科技成果产业化，赋能近300家企业，近三年创造经济价值超1500亿元。医药级角鲨烯的从头合成与规模化工业量产，百万吨级柠檬酸生产线原料利用率近100%……“科研成果的价值，绝不应仅仅以论文和专利的数量来衡量。”魏东芝经常这样跟团队师生说。目前，团队正推动绿色生物技术的系统化、规模化应用，为我国建设“生物制造强国”贡献力量。