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          探秘高校實驗室:江南大學工業生物技術教育部重點實驗室

             2023-06-25 850
          核心提示:生物制造具有低碳循環、綠色清潔的特點,是全球戰略新興產業。目前,我國生物制造產業規模超過10萬億元,并以每年12%的速度遞增

          生物制造具有低碳循環、綠色清潔的特點,是全球戰略新興產業。目前,我國生物制造產業規模超過10萬億元,并以每年12%的速度遞增。而與之密切相關的工業生物技術,世界各主要經濟發達體把它確定為21世紀經濟與社會發展的關鍵技術,競爭非常激烈。江南大學工業生物技術教育部重點實驗室,是我國工業生物技術領域最具品牌影響力和競爭力的實驗室之一。近年來,該實驗室解決了一系列生物制造"卡脖子"問題,引領我國工業生物技術領域的科學創新和產業發展。

            發展綠色生物制造 服務國家雙碳戰略

              工業生物技術被譽為第四次工業革命的核心技術之一,它以廉價可再生的生物質原料,大規模生產人類所需的化學品、醫藥、燃料、材料、食品等產品。是解決人類目前面臨的資源、能源及環境問題的重要手段。

              江南大學工業生物技術教育部重點實驗室主任徐巖介紹:“像氨基酸、檸檬酸這樣的一些大宗的化學品,過去很多時候靠化工的技術生產,而現在通過微生物的加工來進行生產。它最大的好處就是減少二氧化碳的排放。

            江南大學工業生物技術教育部重點實驗室主任徐巖

              江南大學工業生物技術教育部重點實驗室以國家重大戰略需求和學科發展前沿為導向,著力開展生物催化與酶技術、微生物代謝工程、現代發酵工程等三個主要研究方向的應用基礎研究,在工業酶催化性能強化設計、工業菌種系統代謝重構、傳統發酵微生物組合調控等方面,取得了突破性成果。

            解析設計酶蛋白質 實現產業綠色升級

              在江南大學工業生物技術教育部重點實驗室,倪曄教授利用X-RAY晶體衍射儀,解析酶蛋白質晶體結構:“我手里拿著的這個,是剛才制備得到的一個蛋白質晶體。撈起來然后用液氮速凍以后,準備加載到這樣的一個X射線衍射儀上去,來獲得它的一個結構數據。

              酶是一類重要的生物催化劑,其蛋白質結構非常復雜。只有通過對酶的蛋白結構解析,才能高效、定向、可控地對蛋白質進行設計和改造,才能獲得滿足生產需要的工業酶。

              “找到它關鍵的一個催化中心,以及它底部進出的通道,可以幫助我們從幾百個氨基酸的范圍,縮小到幾十個氨基酸的范圍。有了這個結構解析的幫助,可以去指導我們如何更加理性地去改造。”倪曄介紹。

              近年來,倪曄教授團隊針對生物催化過程中的瓶頸問題,開展蛋白質工程與生物催化研究,有針對性地改造酶的工業屬性,解決工業酶資源有限、重要酶工業應用屬性不足等問題。

              倪曄說:“例如非常知名的一種藥物立普妥,又叫阿托伐他汀,它是一種心血管藥物,是美國的一家公司生產的。它的一個關鍵技術就是通過酶催化。原來它需要非常昂貴的金屬催化劑,后來,它用三個酶解決了步驟的問題,提高了生產效率2500倍以上。這也為它獲得了巨額的利潤。通過這個例子我們就能知道技術的重要性。

              近年來,倪曄教授團隊的相關研究成果從這個實驗室走出來。其中,S腺苷蛋氨酸、功能糖、貝他斯汀手性醇中間體、D-苯乳酸等產品已實現了產業化。

            江南大學工業生物技術教育部重點實驗室教授倪曄

              倪曄說:“通過生物催化技術在傳統的化工、醫藥、食品等領域的應用,可以實現這些產業的升級,服務于我們國家的雙碳戰略。

            構建調控細胞工廠 引領行業轉型進步

              工業生物技術既能有助于實現化工、醫藥等產業的綠色升級,也為很多產品的加工提供了綠色可持續的生產方式。這間1500平米的實驗室,建有通風發酵、厭氧發酵、分離提取與包裝等不同中試平臺。饒志明教授團隊,正在用中試發酵罐,做微生物發酵實驗。

              江南大學工業生物技術教育部重點實驗室教授、國家級人才饒志明介紹:“我們可以把實驗室摸索出來的,在5升發酵罐的溫度、pH值、溶氧包括補料這些條件,在更大規模上去優化。然后慢慢去適應更大規模、更工業化、更粗獷的這種條件。像在中國一些大宗發酵產品,如氨基酸、有機酸、維生素,包括抗生素,工廠的發酵罐規模有百噸、500噸甚至上千噸這樣的規模。”

              工業菌株是發酵工業的“靈魂”。針對工業微生物生產效率低、細胞生長弱、環境耐受差的共性技術難題,實驗室開展提高合成能力、強化生長性能、提升環境抗逆性等研究。以國家需求為導向,采用合成生物學前沿技術,結合基因組、蛋白質組、代謝組等現代組學技術,開發和創制高效的工業微生物菌種,積極開展工業生物技術創新并努力探索產業化發展道路。

            江南大學工業生物技術教育部重點實驗室教授饒志明

              饒志明介紹:“前幾年我們進口大豆和豆粕的時候,經常被西方國家‘卡住脖子’。這些國家坐地要價,提高價格,讓我們國內的一些養豬產業壓力很大。所以我們研發出一些可以在飼料里面添加的氨基酸,就可以大大減少進口。

              近五年,江南大學工業生物技術教育部重點實驗室承擔了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目等國家和省部級項目267項;發表高水平學術論文665篇;授權發明專利664項,其中國際專利50項,在生物制造領域發明專利家族數位列全球第一。形成了工業生物技術從基礎研究到產業化應用的科研創新體系,服務國家戰略需求和區域可持續發展。

              徐巖說:“我們把研究成果,很好地轉化到我們整個的國民經濟建設這樣一個主戰場來。中國這樣的一個生物制造大國,要走向一個生物制造強國。希望能夠為我們民族的復興作出應有的貢獻。

           
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