Du kanske känner dig okänd när det gäller PHA.
Men om jag säger er att PHA har börjat användas inom många områden som bordsartiklar, matförpackningar, 3D -utskrift, textilfibrer, medicintekniska produkter etc. kommer du att känna att det inte är långt ifrån våra liv.
"PHA är en familj av polyhydroxyalkanoatmaterial, som är ett nytt material som odlas från celler. Det är helt nedbrytbart i naturen och är giftfri och ofarlig." Chen Guoqiang, professor i School of Life Sciences vid Tsinghua University och chef för Center for Synthetic and Systems Biology, introducerade det på detta sätt när han intervjuades av en reporter från Science and Technology Daily.
Redan för 30 år sedan bestämde Chen Guoqiang att PHA var riktningen för framtida gröna material och inledde forskningen och utvecklingen av biotillverkning PHA utan att tveka. "Detta är en process med kontinuerlig prövning och fel. Vi träffade väggen om och om igen och bröt igen och igen." Sa han.
Lös smärtan från "bakteriell förorening"
För att minska användningen av petroleumbaserad plast och undvika att orsaka mer vit föroreningar har forskare letat efter nedbrytbara alternativa material. Biotillverkning är en av de erkända produktionsvägarna för alternativa material.
"Biotillverkning, som namnet antyder, är att omforma och omvandla organismer för att få chassiceller med utmärkt prestanda och sedan använda dessa celler som fabriker för att producera olika material som behövs av människor." Chen Guoqiang berättade för reportrar.
Bland många biomaterial har PHA fördelarna med biokompatibilitet, termoplasticitet och nedbrytbarhet. Baserat på utforskningen och praxis under de föregående åren, 1994, kom Chen Guoqiang, som hade avslutat postdoktorellt forskning utomlands, till Tsinghua University för att bilda ett team och koncentrera sig på att studera hur man uppnår massproduktion av PHA.
"I laboratoriet är många problem inte enkla att avslöja. På fabriken, när skalan har förstorats, kommer alla problem att komma." Chen Guoqiang fann att det första problemet var "förorening" - i processen med att odla mikrobiella celler kommer andra svampar och mikroorganismer att växa med dem.
När mikrobiella celler är "förorenade" måste hela jäsningsprocessen starta om igen, med enorma förluster. För att förhindra att cellerna är infekterade måste strikt aseptisk drift genomföras, vilket kräver utrustning och personal och har hög energiförbrukning.
"Vi försökte många typer av mikroorganismer, men vi kunde inte lösa detta problem." Chen Guoqiang erinrade om att han av en slump tänkte på extrema mikroorganismer.
Extrema mikroorganismer växer vanligtvis i extrema miljöer där vanliga mikroorganismer har svårt att överleva och inte lätt smittas av andra mikroorganismer. Med det kan PHA -produktionsprocessen vara relativt öppen utan behov av komplexa och besvärliga steriliseringsoperationer.
Så Chen Guoqiang riktade uppmärksamheten mot halofila mikroorganismer som är svåra att "förorena".
Tyvärr sökte teammedlemmarna på många ställen, men alla återvände förgäves. Det var först 2006 som de äntligen isolerade en stam med både salttolerans och snabb tillväxtegenskaper från ett jordprov hämtat från en saltsjö med låg latitud, stor temperaturskillnad mellan dag och natt och högre salthalt än havsvatten. Detta är de halofila bakterierna.
Konstruera grunden för "chassit"
Med rätt stam har konstruktion av chassiceller blivit nyckeln till att uppnå biotillverkning.
"Chassiceller kan konvertera förnybar biomassa som glukos, stärkelse och vegetabilisk olja till PHA under fermenteringsprocessen." Chen Guoqiang sa: "De är som maskiner i en fabrik, som kontinuerligt kan producera de polymermaterial vi behöver."
För att erhålla chassiceller måste generna av halofila bakterier demonteras och monteras. Nya problem följde - halofiler är för speciella och saknar färdiga molekylära manipuleringsverktyg.
"'Molekylära hårbotten', 'molekylära suturnålar' och 'molekylära transportörer' är alla nödvändiga verktyg." Chen Guoqiang förklarade, "De är ansvariga för att klippa, rekombera och transportera mikrobiella gener."
Utan verktyg är halofiler som en "svart låda" som kan ses men som inte används.
Plasmidvektorer används vanligtvis "molekyltransportörer" som är ansvariga för att införa rekombinerade gener i mottagarceller. "Det här verktyget har konsumerat mycket av vår energi." Chen Guoqiang berättade för reportrar att teamet har provat hundratals befintliga plasmider, men ingen av dem lyckades.
Vad ska jag göra? Utöka bara räckvidden och hitta nya plasmider. Efter obegränsade ansträngningar screenade alla ut mer än 200 plasmider med potential, testade dem en efter en och slutligen inledde en vändpunkt - 3 av dem kan användas!
Med plasmider har den "svarta rutan" med mikrobiell genetisk modifiering öppnats.
På grundval av detta har teamet utvecklat en serie verktyg för genredigering, metabolisk reglering och nätverksoptimering, som kan modifiera och reglera prestanda för chassiceller från olika nivåer.
Det tog FoU -teamet hela tio år för att utveckla molekylära manipuleringsverktyg. "Denna process är mycket smärtsam." Chen Guoqiang medgav att hemligheten med framgång är tro och uthållighet.
Slutligen konstruerades chassicellerna av teamet.
"Nästa steg är produktionsverifiering. Vi tillbringade ytterligare sju eller åtta år för att övervinna svårigheterna med förbättring av fermenteringsprocesser, bakteriell morfologiomvandling, materialavskiljning och extraktion och korsade den industriella förstärkningen" Death Valley. "Wu Fuqing, en teammedlem och medlem och medlem och Associerad forskare vid School of Life Sciences vid Tsinghua University, introducerad.
Kliva på vägen för "transformation"
Under den industriella förstärkningen föreslog Chen Guoqiang 2018 först "nästa generations industriell bioteknik" internationellt, och det verifierades i "småskaliga försök", "pilotförsök" och storskalig produktion.
Men detta betyder inte att denna teknik kan erkännas av företag. Teamet står inför en ny nivåöverföring av resultat.
"'Next Generation Industrial Biotechnology' använder ett kontinuerligt jäsningssystem som inte kräver sterilisering för produktion. Det har fördelarna med öppen, hög effektivitet, låg energiförbrukning och vattenbevarande. Det är en 2,0 uppgraderad version av traditionell biotillverkningsteknik." Wu Fuqing sa att dessa subversiva egenskaper har gjort traditionella jäsningsföretag oroliga.
"Det har alltid varit strikt förseglat och steriliserat vid hög temperatur. Du sa att du inte behöver det, så du behöver inte det?" Vissa företag tror till och med att FoU -teamet "lurar".
Efter flera vändningar hittade teamet äntligen ett stort jäsningsföretag som är villigt att prova. För att fördriva den andra partens oro genomfördes jäsningstestet på plats.
200 kubisk jäsningstank, det första testet, framgång!
Den andra partens ingenjör misstänks: Finns det en "tur" -faktor? Försök sedan igen, det kommer fortfarande att lyckas! Samarbetet nåddes framgångsrikt.
År 2021 inrättades Achievement Transformation Enterprise-Beijing Weiguochang Biotechnology Co., Ltd. (nedan kallad "Weiguochang") och industrialiseringen gick in i Fast Lane.
"Efter etablering av företaget, under ledning av marknaden, har framstegen med laboratorievetenskaplig forskning påskyndats." Ouyang Pengfei, vice ordförande för Weiguochang, sa: "Tidigare hade stammarna tre generationer under 9 år; under de senaste åren har de itererats tre generationer under ett år; i år förväntas det itereras 4 till 5 generationer. "
Iteration har gett stammarna bättre prestanda och lagt en mer solid grund för industrialisering.
En intelligent produktionsdemonstrationslinje med en årlig produktion på 1 000 ton har byggts i Shunyi, Peking och en produktionsbas med en årlig produktion på 30 000 ton har etablerats i Yichang, Hubei ... "Vi har också gått med i handen med Chuan Ning Bioteknik för att främja tillämpningen av PHA-industrin med medicinsk klass och bygga en "fyrfabrik" i HEFEI, Anhui för att utforska olika applikationsscenarier. " Ouyang Pengfei introducerade.
År 2023, baserat på utveckling och användning av halofila bakterier och bidraget från "nästa generations industriell bioteknik" till branschen, tilldelade International Society for Metabolic Engineering Chen Guoqiang "International Metabolic Engineering Award". Idag har relaterade tekniker använts i stor utsträckning för öppen produktion av biotillverkning.
Vid den nyligen hållna National Science and Technology Conference, National Science and Technology Awards Conference, och konferensen för akademiker för de två akademin, betonade generalsekreteraren Xi Jinping att vi måste sikta mot de kommande höjderna för framtida vetenskap och teknik och industriell utveckling, Accelerera vetenskaplig och teknisk innovation inom områdena New Generation Information Technology, Artificial Intelligence, Quantum Technology, Biotechnology, New Energy och New Materials, and Cultivate and Develop Emerging Industries and Future Industries.
Med tanke på framtiden är Chen Guoqiang full av förtroende: "Vi kommer att främja den djupa integrationen av vetenskaplig och teknisk innovation och industriell innovation, fortsätter att förbättra nivån på PHA -industrialiseringen och bidra till mitt lands förverkligande av" dubbla kol " Mål och grön utveckling! "