【科研成果簡介】

氨基酸及核苷代謝調(diào)控技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

在全球各主要發(fā)達國家加速推進生物技術(shù)發(fā)展的背景下，我國于2010年明確將生物產(chǎn)業(yè)列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)．近十年，我國生物產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，年均增長率為25.1%，比同期GDP 增速高出1倍以上．2012年，我國生物產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達2.4萬億元，預(yù)計到2020年可接近10萬億元．據(jù)統(tǒng)計，發(fā)酵工業(yè)創(chuàng)造的產(chǎn)值約占生物產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的50%．作為生命體蛋白質(zhì)的基本組成單位，氨基酸在人和動物的營養(yǎng)健康方面發(fā)揮著重要的作用．目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、飼料、保健、化妝品、農(nóng)藥、肥料和制革等領(lǐng)域．氨基酸及其衍生物的種類已由20世紀(jì)60年代的50種左右發(fā)展到現(xiàn)在的1,000余種，全球每年的需求量已超過800多萬噸．

氨基酸工業(yè)是發(fā)酵工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，當(dāng)前全球氨基酸工業(yè)已發(fā)展成為品種繁多、門類齊全的龐大產(chǎn)業(yè)群．我國是氨基酸生產(chǎn)大國，2013年我國氨基酸總產(chǎn)量達到400萬噸，同比增長10%，繼續(xù)穩(wěn)居世界第一．產(chǎn)品以大宗氨基酸為主，其中谷氨酸及其鹽年產(chǎn)已達240萬噸，占世界總產(chǎn)量的70%以上，賴氨酸(122萬噸)和蘇氨酸(27萬噸)產(chǎn)量也居世界前列．近些年，高附加值氨基酸產(chǎn)品的需求快速增長，帶動了一些小品種氨基酸和高附加值氨基酸衍生物產(chǎn)品的快速發(fā)展．雖然我國大宗氨基酸的生產(chǎn)技術(shù)水平已達到國際先進水平，但其他高附加值氨基酸產(chǎn)品與國外先進水平仍有不小的差距．從我國的氨基酸生產(chǎn)現(xiàn)狀分析，提升現(xiàn)有氨基酸產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平，加快氨基酸深層次加工和新產(chǎn)品開發(fā)是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然途徑．核苷類物質(zhì)亦在生命代謝過程中扮演著極其重要的角色，具有廣闊的市場前景．

天津科技大學(xué)陳寧教授所帶領(lǐng)的科研團隊長期從事氨基酸及其衍生物和核苷類物質(zhì)代謝工程及發(fā)酵工程方面的研究工作．主要包括：(1)氨基酸及核苷生產(chǎn)菌種的定向改造、發(fā)酵過程優(yōu)化控制及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用．針對我國氨基酸工業(yè)存在的菌種產(chǎn)酸水平和轉(zhuǎn)化率低、性狀不穩(wěn)定等不足，在代謝控制發(fā)酵原理指導(dǎo)下，綜合利用誘變育種、基因工程、組學(xué)、合成生物學(xué)、高通量篩選等技術(shù)，對現(xiàn)有谷氨酸、賴氨酸、亮氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、色氨酸、肌苷、鳥苷、腺苷等氨基酸及核苷生產(chǎn)菌種的遺傳特性、代謝網(wǎng)絡(luò)及組學(xué)特性進行系統(tǒng)地分析，闡明其代謝途徑及調(diào)控機制并理性地設(shè)計和改造其代謝途徑，對其代謝和遺傳性能進行優(yōu)化．通過對生產(chǎn)菌的生理和遺傳特征以及反應(yīng)器特性的研究，建立基于基因水平的分子尺度、代謝調(diào)節(jié)的細(xì)胞尺度以及工藝控制的反應(yīng)器尺度的多尺度發(fā)酵過程優(yōu)化及放大的關(guān)鍵理論、方法和技術(shù)體系．將獲得的菌種和發(fā)酵工藝應(yīng)用于實際生產(chǎn)中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化．本研究開發(fā)的多種氨基酸生產(chǎn)菌發(fā)酵水平處于國內(nèi)甚至國際領(lǐng)先水平且已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化．如自主開發(fā)的谷氨酸溫度敏感突變株及其發(fā)酵工藝已在山東菱花集團、河北梅花集團、寧夏伊品集團等大型氨基酸企業(yè)推廣應(yīng)用；發(fā)酵法生產(chǎn)分支鏈氨基酸在無錫晶海氨基酸公司和山東魯洲氨基酸公司推廣，分支鏈氨基酸代謝調(diào)控技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化項目獲得2013年天津市科技進步獎開發(fā)類二等獎；發(fā)酵法生產(chǎn)鳥苷項目在湖南賽康德公司推廣；發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸、蘇氨酸、肌苷等項目已在多家公司成功推廣．上述項目的推廣打破了發(fā)達國家對我國氨基酸、核苷的技術(shù)和市場的壟斷，有力地推動了氨基酸和核苷技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的進程，為我國氨基酸和核苷工業(yè)做出了突出貢獻．(2)氨基酸及核苷發(fā)酵產(chǎn)物高效分離純化技術(shù)．研發(fā)膜分離、工業(yè)色譜、連續(xù)濃縮結(jié)晶等分離提取新技術(shù)及其在不同發(fā)酵產(chǎn)物提取工藝過程中的應(yīng)用；針對生產(chǎn)菌株的代謝途徑及發(fā)酵過程中發(fā)酵產(chǎn)物及副產(chǎn)物特性研發(fā)合理的分離提取工藝，降低產(chǎn)品分離過程中的資源和能量消耗，實現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)品的高效分離．采用微濾、納濾、反滲透等膜技術(shù)以及離交法等方法及不同分離提純工藝對氨基酸進行分離，分別獲得了高純度的分支鏈氨基酸、谷氨酸、蘇氨酸、色氨酸及鳥苷等．該研究在山東菱花集團、河北梅花集團、寧夏伊品集團、無錫晶海氨基酸有限公司和山東魯洲氨基酸有限公司等多家企業(yè)得到推廣．(3)抗逆菌株的選育及新型發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)菌株的開發(fā)．針對我國氨基酸和核苷生產(chǎn)菌株抗逆性差、工業(yè)耗能大、新型氨基酸及氨基酸衍生物種類相對較少等問題，采用系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)的理論和技術(shù)選育或構(gòu)建耐高溫、耐酸堿的抗逆的蘇氨酸、色氨酸、谷氨酸等生產(chǎn)菌株，達到提高菌種生產(chǎn)能力和抗逆性、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能耗的目的；構(gòu)建并定向改造氨基酸衍生物、利巴韋林、α-酮戊二酸的方法等新型發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)菌，延伸微生物制造產(chǎn)業(yè)鏈，大力發(fā)展新產(chǎn)品，為微生物制造技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)．

近年來，我國氨基酸工業(yè)取得了很大的進步．但也要看到，與世界氨基酸產(chǎn)業(yè)強國比較，我國氨基酸領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力相對薄弱，新型氨基酸產(chǎn)品及衍生物開發(fā)也存在明顯不足．產(chǎn)品多元化、生產(chǎn)高效化、質(zhì)量高端化和應(yīng)用擴大化是氨基酸工業(yè)的長期發(fā)展目標(biāo)．當(dāng)前形勢下，新技術(shù)應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)是我國氨基酸工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的兩個最重要的因素．因此，提高技術(shù)研發(fā)和自主創(chuàng)新的能力是氨基酸工業(yè)發(fā)展不變的主題．雖然我國氨基酸工業(yè)發(fā)展存在一定的問題，但相信自主創(chuàng)新體系的完善將極大增強我國氨基酸工業(yè)的核心競爭力，促進我國氨基酸工業(yè)向著良性健康的方向發(fā)展．

供稿：生物工程學(xué)院 張成林