改造出專門分解塑料的細(xì)菌，植物蛋白合成食用肉……近年來，生物制造廣泛應(yīng)用在醫(yī)療健康、食品與農(nóng)業(yè)、能源與工業(yè)等領(lǐng)域。“生物制造背后，是看不見、摸不著的酶在支撐。”國(guó)家級(jí)人才、湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李愛濤教授介紹，P450酶被譽(yù)為“萬能生物催化劑”，能在常溫、常壓等溫和條件下快速完成代謝和合成催化。

多年來，李愛濤教授團(tuán)隊(duì)對(duì)P450酶展開系統(tǒng)研究，突破傳統(tǒng)化學(xué)合成高能耗、高污染的難題，建立了生物合成新途徑，初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

讓P450酶成為“超級(jí)酶”，怎么做到？

一臺(tái)臺(tái)儀器晝夜運(yùn)轉(zhuǎn)，一排排設(shè)備中的微生物正悄然踐行“生物制造”的使命。在李愛濤教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室和主戰(zhàn)場(chǎng)，他們以P450酶為“工具”，以微生物為“工廠”，開辟綠色制造新路徑，將實(shí)驗(yàn)室科研成果轉(zhuǎn)化為服務(wù)國(guó)計(jì)民生新質(zhì)生產(chǎn)力。

“P450酶極具工業(yè)價(jià)值，它雖萬能，但還需進(jìn)一步將其改造成更強(qiáng)大、更適應(yīng)工業(yè)需求的‘超級(jí)酶’。”李愛濤說。近年來，該團(tuán)隊(duì)圍繞“讓P450酶成為‘超級(jí)酶’”這一任務(wù)，通過“定向進(jìn)化”與“人工創(chuàng)制”雙管齊下，賦予其新的能力。

所謂“定向進(jìn)化”，就是對(duì)天然P450酶基因進(jìn)行隨機(jī)突變，構(gòu)建海量突變庫，再通過嚴(yán)格地篩選優(yōu)勝者。而“人工創(chuàng)制”則是借助超級(jí)計(jì)算機(jī)，從頭構(gòu)建不存在的新酶，以精準(zhǔn)執(zhí)行預(yù)設(shè)的催化任務(wù)，賦予它新功能。

“認(rèn)識(shí)自然，才能改造自然。”李愛濤說，只有摸清酶的“脾氣”，才能找到缺陷并定向優(yōu)化。該團(tuán)隊(duì)使用高通量篩選和結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的理性設(shè)計(jì)與改造，創(chuàng)造性地將上述兩種方法協(xié)同發(fā)力，將P450酶成功改造成“超級(jí)酶”，為工業(yè)應(yīng)用掃清障礙。

從實(shí)驗(yàn)室到萬噸級(jí)尼龍生產(chǎn)線，怎么攻堅(jiān)？

尼龍66是應(yīng)用最廣泛的尼龍類型之一，沖鋒衣、耐高溫廚具、電器插座、汽車油箱蓋……從服裝纖維到汽車關(guān)鍵部件，它出現(xiàn)在人們衣食住行的方方面面。

“尼龍66傳統(tǒng)生產(chǎn)方式依賴石油原料，高能耗、高污染、高成本等痛點(diǎn)制約著該產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。開發(fā)生物基原料、綠色催化工藝和循環(huán)回收技術(shù)是未來主要趨勢(shì)。”李愛濤介紹。2017年，他一回國(guó)就瞄準(zhǔn)尼龍66單體的綠色制造難題，組建科研團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)造性地將8類酶“組裝”成一個(gè)高效的微生物“細(xì)胞工廠”，實(shí)現(xiàn)尼龍66原料的生物法直接合成。

然而，初期工作不是那么順利。“就像集齊了所有汽車零件，卻怎么也發(fā)動(dòng)不了引擎。‘細(xì)胞工廠’組建好了，就是不工作。”李愛濤回憶道。

面對(duì)8種酶“組裝”的“細(xì)胞工廠”，反復(fù)測(cè)試、改造、替換每一個(gè)“零件”，進(jìn)行無數(shù)次排查與優(yōu)化。整整兩年，團(tuán)隊(duì)都在想辦法讓“細(xì)胞工廠”工作起來。

轉(zhuǎn)機(jī)在2020年出現(xiàn)。經(jīng)過700多個(gè)日夜攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)解決了一個(gè)個(gè)技術(shù)堵點(diǎn)，終于讓“細(xì)胞工廠”工作起來了，一項(xiàng)創(chuàng)新的尼龍單體生物合成技術(shù)就這樣誕生了。該成果（創(chuàng)新尼龍單體己二酸合成策略）解決了行業(yè)存在80年的污染難題，推動(dòng)全球尼龍產(chǎn)業(yè)鏈綠色轉(zhuǎn)型，潛在經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境價(jià)值難以估量。2021年，成果入選國(guó)家“十三五”科技創(chuàng)新成就展。

這一突破性技術(shù)迅速吸引一家大型企業(yè)的目光，雙方展開深度合作，即將建萬噸級(jí)生產(chǎn)示范線，綠色尼龍離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化僅一步之遙。“經(jīng)過持續(xù)的技術(shù)優(yōu)化和工程放大，李愛濤教授團(tuán)隊(duì)生物合成己二酸產(chǎn)量水平，已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。”該企業(yè)負(fù)責(zé)人表示，“為化工行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，提供了有力技術(shù)支撐。”

走合成醫(yī)藥道路，怎么實(shí)現(xiàn)？

關(guān)鍵中間體被稱為藥品“芯片”，用P450酶生物合成多種甾體藥物的關(guān)鍵中間體，是李愛濤教授團(tuán)隊(duì)又一個(gè)攻克方向。

甾體類藥物是僅次于抗生素的第二大類藥物，在臨床被廣泛應(yīng)用于治療心血管、淋巴性白血病、抗腫瘤等疾病。

脫氫諾龍醋酸酯是合成多種重要甾體藥物的關(guān)鍵中間體。李愛濤教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種簡(jiǎn)便、高效、低成本且環(huán)保的新方法，即通過對(duì)P450酶進(jìn)行改造，獲得高效的人工酶，并結(jié)合簡(jiǎn)單的化學(xué)脫水過程，首創(chuàng)了脫氫諾龍醋酸酯全新路線。

“過去，用傳統(tǒng)化學(xué)法合成脫氫諾龍醋酸酯，效率低、能耗高，還會(huì)產(chǎn)生大量廢水。現(xiàn)在，我們采用的生物與化學(xué)相結(jié)合的方法，總產(chǎn)率高達(dá)93%，且成本低、環(huán)保高效。”李愛濤介紹。

“李愛濤教授團(tuán)隊(duì)成功攻克了制約工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸，率先實(shí)現(xiàn)了甾體藥物關(guān)鍵中間體的高效生物合成與規(guī)模化生產(chǎn)，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。”某企業(yè)負(fù)責(zé)人說。

如今，該團(tuán)隊(duì)基于甾體藥物關(guān)鍵中間體開發(fā)的骨化二醇高端補(bǔ)鈣產(chǎn)品，已惠及高端飼料行業(yè)。“骨化二醇的補(bǔ)鈣效果是傳統(tǒng)產(chǎn)品的3至5倍，生產(chǎn)成本降低了20％，污染物排放減少了70％。早在2019年，我們和某藥企合作，耗時(shí)兩年攻克骨化二醇高端補(bǔ)鈣產(chǎn)品；2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，建立了5000L規(guī)模的生產(chǎn)線。當(dāng)前，產(chǎn)品正在申請(qǐng)歐盟許可，未來進(jìn)軍人類高端補(bǔ)鈣市場(chǎng)。”李愛濤說。

（湖北大學(xué)供圖）