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近年來，能源資源短缺、生態環境惡化等一系列問題日漸突出，為了實現人類社會、經濟的可持續發展，迫切需要以可再生生物資源替代不可再生化石資源。

中國科學院系統微生物工程重點實驗室依托于中科院天津工業生物技術研究所，成立以來瞄準微生物生物技術中的應用基礎研究。日前，實驗室主任張學禮在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“我們致力于研發新一代工業菌株，希望借助系統微生物工程打開工業微生物‘黑匣子’。”

瞄準應用研究

據悉，中科院系統微生物工程重點實驗室以促進化學工業的原料、工藝替代和發酵工業的產業升級為目標，運用基因組學、系統生物學和合成生物學的研究思想和技術手段，對工業微生物的生理和代謝功能進行解析，打通從基因組到產品的技術鏈條，構建生產生物材料、生物燃料、大宗發酵產品和植物天然產物的微生物細胞工廠。

“不難發現，我們實驗室定位于應用研究。”張學禮進一步指出，這里的細胞工廠是最近十多年才出現的名詞，簡單來說就是菌種改造。

細胞工廠擬解決的關鍵性科學問題包括化學品生物合成途徑設計原理、DNA元件及功能模塊的分子基礎與適配機制以及細胞工廠高產的分子機理。

張學禮這樣解釋實驗室名稱中的“系統微生物工程”，應用系統生物學的原理和方法，對工業微生物進行系統分析、認識、設計、優化與調控，將工業微生物從傳統的“黑箱”變為“灰箱”甚至“白箱”，創造具有高效生物制造能力的細胞工廠。

這些年來，實驗室通過在微生物體內重構、創建和優化大宗化學品、生物基材料和植物天然產物的合成途徑，為發展工業生物技術戰略性新興產業奠定基礎。

張學禮稱，我們從事的新一代工業菌株研發，不僅顯著提升了原料利用能力和轉化率，還促進我國傳統發酵工業進行產業升級，實現節能減排。

創建細胞工廠

張學禮說：“我們已經創建了30個細胞工廠，當前，平均每2個月產生1個細胞工廠。”

先從氨基酸細胞工廠開始說起。氨基酸工業是我國發酵行業的支柱產業，總產量居世界第一，產值超過500億元。然而，國內生產水平與國際差距顯著，競爭力差，業內缺少自主知識產權，行業侵權普遍，國際訴訟頻繁。從葡萄糖到氨基酸的黑箱急需打開。

為此，實驗室科研團隊建立大規模微生物基因組分析平臺，揭示中國工業菌株特色和高產機理；發展了基于結構的關鍵酶設計改造方法，有效解除初級代謝的嚴謹調控。

“我們先后創建了6個自主知識產權的氨基酸工業菌種，并實現了規模化應用，取得重大經濟社會效益。”張學禮指出，其中賴氨酸專利菌種在10萬噸生產線應用，創造近億元凈利潤，企業獎勵科學家550萬元。

此外，來自實驗室的L-丙氨酸在國際上首次實現萬噸級發酵產業化，顛覆傳統石化原料生產路線，占領全球60%以上市場，新增產值10億元；羥脯氨酸基本消除了高鹽高氮污水排放，價格為原來的1/10，顛覆傳統化工路線，解決了行業發展卡脖子問題。

實驗室還構建了生物塑料單體細胞工廠，打通了可再生生物質原料到丁二酸、D-乳酸等一系列可降解塑料單體的合成路線，實現了萬噸級丁二酸和D-乳酸生物制造技術的產業化，成本低于石化路線；木質纖維素細胞工廠解決了以淀粉葡萄糖為原料，存在與人爭糧的問題；植物天然產物細胞工廠以工業生物合成替代植物種植提取，顛覆傳統植物藥物產業的生產模式、保護生態環境資源。

針對不同生物制造需求，實驗室需要解決如何快速、靈敏（高通量）地選育和優化細胞工廠的難題，即從初始細胞工廠篩選高性能細胞工廠。于是，實驗室科研團隊研發了細胞工廠高通量篩選技術裝備，完成第一臺成型機設計加工，具有較高的成本優勢，并且操作簡便。

年輕的科研團隊

發展至今，中科院系統微生物工程重點實驗室研究團隊平均年齡約33歲，其中40歲以下研究人員占固定人員總數的88%。張學禮自己就是一位“80后”，他說：“雖然我們是一支年輕的科研團隊，但正是這群年輕人組成了實驗室科研隊伍的中堅力量。”

當前，實驗室已經組建了2個創新研究團體：中科院科技創新交叉與合作團隊“化學品合成的人工細胞工廠構建與應用”；天津市高層次創新創業團隊“微生物細胞工廠設計創新團隊”，該團隊入選為天津市A類重點領域創新團隊。

張學禮表示，我們希望借助系統微生物工程構建更多的細胞工廠，拓展化學品生物制造的種類，力爭更多產品實現產業化生產，進一步實現資源、能源和環境的可持續發展。