Bạn có thể cảm thấy không quen thuộc khi nói đến PHA.
Nhưng nếu tôi nói với bạn rằng PHA đã bắt đầu được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đồ ăn, bao bì thực phẩm, in 3D, sợi dệt, thiết bị y tế, v.v., bạn sẽ cảm thấy rằng nó không xa cuộc sống của chúng tôi.
"PHA là một họ các vật liệu polyhydroxyalkanoate, là một vật liệu mới được trồng từ các tế bào. Nó hoàn toàn có thể phân hủy trong tự nhiên và không độc hại và vô hại." Chen Guoqiang, giáo sư của Trường Khoa học Đời sống tại Đại học Tsinghua và Giám đốc Trung tâm Sinh học Hệ thống và Hệ thống, đã giới thiệu nó theo cách này khi ông được phỏng vấn bởi một phóng viên của Khoa học và Công nghệ hàng ngày.
Ngay từ 30 năm trước, Chen Guoqiang đã xác định rằng PHA là hướng của các vật liệu xanh trong tương lai và bắt tay vào nghiên cứu và phát triển PHA sản xuất sinh học mà không do dự. "Đây là một quá trình thử nghiệm và sai sót liên tục. Chúng tôi nhấn vào tường nhiều lần, và phá vỡ hết lần này đến lần khác." Anh ấy nói.
Giải quyết nỗi đau của "ô nhiễm vi khuẩn"
Để giảm việc sử dụng nhựa dựa trên dầu mỏ và tránh gây ra ô nhiễm trắng nhiều hơn, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các vật liệu thay thế có thể phân hủy. Sản xuất sinh học là một trong những con đường sản xuất được công nhận của vật liệu thay thế.
"Sản xuất sinh học, như tên cho thấy, là thiết kế lại và biến đổi các sinh vật để có được các tế bào khung gầm với hiệu suất tuyệt vời, và sau đó sử dụng các tế bào này làm nhà máy để tạo ra các vật liệu khác nhau cần thiết cho con người." Chen Guoqiang nói với các phóng viên.
Trong số nhiều vật liệu sinh học, PHA có những ưu điểm của khả năng tương thích sinh học, tính dẻo dai và độ phân hủy. Dựa trên việc thăm dò và thực hành trong vài năm trước, vào năm 1994, Chen Guoqiang, người đã hoàn thành nghiên cứu sau tiến sĩ ở nước ngoài, đã đến Đại học Tsinghua để thành lập một nhóm và tập trung vào nghiên cứu cách đạt được sản xuất hàng loạt của PHA.
"Trong phòng thí nghiệm, nhiều vấn đề không dễ phơi bày. Trong nhà máy, một khi quy mô được mở rộng, tất cả các vấn đề sẽ đến." Chen Guoqiang phát hiện ra rằng vấn đề đầu tiên là "ô nhiễm" - trong quá trình nuôi dưỡng các tế bào vi sinh vật, các loại nấm và vi sinh vật khác sẽ phát triển cùng với chúng.
Khi các tế bào vi sinh vật bị "bị ô nhiễm", toàn bộ quá trình lên men phải bắt đầu lại từ đầu, với những tổn thất lớn. Để ngăn chặn các tế bào bị nhiễm bệnh, phải thực hiện hoạt động vô trùng nghiêm ngặt, yêu cầu về thiết bị và nhân sự, và có mức tiêu thụ năng lượng cao.
"Chúng tôi đã thử nhiều loại vi sinh vật, nhưng chúng tôi không thể giải quyết vấn đề này." Chen Guoqiang nhớ lại rằng tình cờ, anh nghĩ về các vi sinh vật cực đoan.
Các vi sinh vật cực đoan thường phát triển trong môi trường khắc nghiệt, nơi các vi sinh vật thông thường cảm thấy khó khăn để sống sót và không dễ bị nhiễm bởi các vi sinh vật khác. Với nó, quy trình sản xuất PHA có thể tương đối mở, mà không cần các hoạt động khử trùng phức tạp và cồng kềnh.
Vì vậy, Chen Guoqiang đã chuyển sự chú ý của mình sang các vi sinh vật halophilic rất khó để "gây ô nhiễm".
Thật không may, các thành viên trong nhóm đã tìm kiếm ở nhiều nơi, nhưng tất cả đã trở lại vô ích. Mãi đến năm 2006, cuối cùng họ mới phân lập được một chủng với cả khả năng chịu mặn và đặc điểm tăng trưởng nhanh từ mẫu đất được lấy từ hồ muối với vĩ độ thấp, chênh lệch nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm và độ mặn cao hơn nước biển. Đây là vi khuẩn halophilic.
Xây dựng nền tảng của "khung gầm"
Với căng thẳng đúng, việc xây dựng các tế bào khung gầm đã trở thành chìa khóa để đạt được sản xuất sinh học.
"Các tế bào khung gầm có thể chuyển đổi sinh khối tái tạo như glucose, tinh bột và dầu thực vật thành PHA trong quá trình lên men." Chen Guoqiang nói: "Chúng giống như máy móc trong một nhà máy, có thể liên tục sản xuất các vật liệu polymer chúng ta cần."
Để có được các tế bào khung gầm, các gen của vi khuẩn halophilic phải được tháo rời và lắp ráp. Các vấn đề mới theo sau - Halophiles quá đặc biệt và thiếu các công cụ thao tác phân tử làm sẵn.
"'Ba dao phân tử', 'kim chỉ phân tử' và 'vận chuyển phân tử' là tất cả các công cụ cần thiết." Chen Guoqiang giải thích: "Họ chịu trách nhiệm cắt, tái tổ hợp và vận chuyển các gen vi sinh vật tương ứng."
Không có công cụ, halophiles giống như một "hộp đen" có thể được nhìn thấy nhưng không được sử dụng.
Các vectơ plasmid thường được sử dụng "các chất vận chuyển phân tử" chịu trách nhiệm đưa các gen tái tổ hợp vào các tế bào người nhận. "Chỉ riêng công cụ này đã tiêu thụ rất nhiều năng lượng của chúng tôi." Chen Guoqiang nói với các phóng viên rằng nhóm đã thử hàng trăm plasmid hiện có, nhưng không ai trong số họ thành công.
Làm gì? Chỉ mở rộng phạm vi và tìm plasmid mới. Sau những nỗ lực không ngừng, mọi người đã sàng lọc hơn 200 plasmid với tiềm năng, đã kiểm tra từng cái một và cuối cùng mở ra một bước ngoặt - 3 trong số chúng có thể được sử dụng!
Với plasmid, "hộp đen" của biến đổi gen vi sinh vật đã được mở.
Trên cơ sở này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loạt các công cụ để chỉnh sửa gen, điều hòa trao đổi chất và tối ưu hóa mạng, có thể sửa đổi và điều chỉnh hiệu suất của các tế bào khung gầm từ các cấp độ khác nhau.
Nhóm R & D đã mất toàn bộ mười năm để phát triển các công cụ thao tác phân tử. "Quá trình này rất đau đớn." Chen Guoqiang thừa nhận rằng bí mật thành công là niềm tin và sự kiên trì.
Cuối cùng, các tế bào khung gầm được xây dựng bởi nhóm.
"Bước tiếp theo là xác minh sản xuất. Chúng tôi đã dành bảy hoặc tám năm nữa để vượt qua những khó khăn trong việc cải thiện quá trình lên men, biến đổi hình thái vi khuẩn, tách vật liệu và khai thác, và vượt qua sự khuếch đại công nghiệp" Thung lũng chết. " Phó nhà nghiên cứu tại Trường Khoa học Đời sống của Đại học Tsinghua, được giới thiệu.
Bước trên con đường "Biến đổi"
Trong quá trình khuếch đại công nghiệp, vào năm 2018, Chen Guoqiang lần đầu tiên đề xuất "Công nghệ sinh học công nghiệp thế hệ tiếp theo" quốc tế và nó đã được xác minh trong "các thử nghiệm quy mô nhỏ", "thử nghiệm thí điểm" và sản xuất quy mô lớn.
Nhưng điều này không có nghĩa là công nghệ này có thể được các doanh nghiệp công nhận. Nhóm phải đối mặt với một sự biến đổi cấp độ mới của kết quả.
"'Công nghệ sinh học công nghiệp thế hệ tiếp theo' sử dụng một hệ thống lên men liên tục không yêu cầu khử trùng để sản xuất. Nó có lợi thế của hiệu quả mở, hiệu quả cao, tiêu thụ năng lượng thấp và bảo tồn nước. Đây là phiên bản nâng cấp 2.0 của công nghệ sản xuất sinh học truyền thống." Wu Fuqing nói rằng những đặc điểm lật đổ này đã khiến các công ty lên men truyền thống lo lắng.
"Nó luôn luôn được niêm phong nghiêm ngặt và khử trùng ở nhiệt độ cao. Bạn nói bạn không cần nó, vì vậy bạn không cần nó?" Một số công ty thậm chí nghĩ rằng nhóm R & D đang "đánh lừa".
Sau vài lần xoắn, nhóm cuối cùng đã tìm thấy một công ty lên men lớn sẵn sàng thử. Để xua tan mối quan tâm của bên kia, thử nghiệm lên men đã được thực hiện tại chỗ.
Bể lên men 200 khối, thử nghiệm đầu tiên, thành công!
Kỹ sư của bên kia nghi ngờ: Có yếu tố "may mắn" không? Sau đó thử lại, nó vẫn sẽ thành công! Sự hợp tác đã đạt được thành công.
Năm 2021, doanh nghiệp chuyển đổi thành tích-Nguyên nhân-Beijing Weiguochang Biotech Co., Ltd. (sau đây gọi là "Weiguochang") đã được thành lập, và công nghiệp hóa đã đi vào làn nhanh.
"Sau khi thành lập công ty, dưới sự hướng dẫn của thị trường, tiến trình nghiên cứu khoa học trong phòng thí nghiệm đã được tăng tốc." Ouyang Pengfei, phó chủ tịch của Weiguochang, nói: "Trước đây, các chủng này đã có ba thế hệ trong 9 năm; trong những năm gần đây, họ đã lặp đi lặp lại ba thế hệ trong một năm; năm nay, dự kiến sẽ được lặp lại 4 đến 5 thế hệ. "
Lặp đi lặp lại đã mang lại cho các chủng hiệu suất tốt hơn và đặt nền tảng vững chắc hơn cho công nghiệp hóa.
Một dòng trình diễn sản xuất thông minh với sản lượng hàng năm 1.000 tấn đã được xây dựng ở Shunyi, Bắc Kinh và một cơ sở sản xuất với sản lượng hàng năm là 30.000 tấn đã được thiết lập ở Yichang, Hubei ... "Chúng tôi cũng đã bắt tay với Chuan Ning Công nghệ sinh học để thúc đẩy việc áp dụng ngành công nghiệp PHA cấp y tế và xây dựng một 'nhà máy hải đăng' ở Hefei, Anhui để khám phá các kịch bản ứng dụng khác nhau. " Ouyang Pengfei giới thiệu.
Năm 2023, dựa trên sự phát triển và sử dụng vi khuẩn halophilic và sự đóng góp của "công nghệ sinh học công nghiệp thế hệ tiếp theo" cho ngành công nghiệp, Hiệp hội kỹ thuật trao đổi chất quốc tế đã trao cho Chen Guoqiang "Giải thưởng Kỹ thuật chuyển hóa quốc tế". Ngày nay, các công nghệ liên quan đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất mở sản xuất sinh học.
Tại Hội nghị Khoa học và Công nghệ Quốc gia gần đây, Hội nghị Giải thưởng Khoa học và Công nghệ Quốc gia và Hội nghị các học giả của hai học viện, Tổng thư ký Tập Cận Tăng tốc đổi mới khoa học và công nghệ trong các lĩnh vực công nghệ thông tin thế hệ mới, trí tuệ nhân tạo, công nghệ lượng tử, công nghệ sinh học, năng lượng mới, và vật liệu mới, và trồng trọt và phát triển các ngành công nghiệp mới nổi và các ngành công nghiệp trong tương lai.
Nhìn về tương lai, Chen Guoqiang tràn đầy sự tự tin: "Chúng tôi sẽ kiên quyết thúc đẩy sự tích hợp sâu sắc của đổi mới khoa học và công nghệ và đổi mới công nghiệp, tiếp tục cải thiện mức độ công nghiệp hóa PHA, và góp phần nhận ra" carbon kép "của tôi về" carbon kép " mục tiêu và phát triển xanh! "