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發展建言

發展寄語

《閎議》訪談節目由《中國科學院院刊》與中國互聯網新聞中心聯合出品，通過采訪兩院院士及專家學者，深度探討邁入“十四五”的中國社會在各領域的發展前路。以客觀、精準的解讀，科學、前瞻的思考，為站在“兩個一百年”歷史交匯點上的中國發展破題解惑，為邁向第二個百年目標貢獻智慧力量。

生物制造成為我國生物經濟戰略性新興產業發展方向，原創菌種是這一產業的關鍵。我國的原創菌種發展情況如何？與國際先進水平相比還有哪些方面的差距？由清華大學開發的嗜鹽菌底盤原創菌種為何能獲得國際大獎？對此，《閎議》節目組專訪了清華大學教授、合成與系統生物學中心主任陳國強。

生物制造發展前景廣闊

中國網：生物制造作為新質生產力和戰略性新興產業的重點之一，是國家重點發展的方向和領域，您在該行業深耕30多年，如何看待其發展前景？目前在該領域，中國與發達國家的差距在哪些地方？

陳國強：我們國家對生物制造是非常重視的。生物制造有幾個優點：第一，用可持續發展的原料來進行生產活動的原料，比如二氧化碳、甲醇、乙酸、淀粉、葡萄糖、脂肪酸，在地球上不斷出現，可以無窮無盡被消耗，所以這種生產方式是可持續的；另一方面，生物制造是在水里進行的反應，常溫常壓，無毒、無嗅、無害，所以是一個環境友好的生產方式。

相對于生物制造，化工制造一般是用有機溶劑在高溫、高壓、重金屬催化劑的情況下進行反應，相對來說是比較耗能的，而且對環境不是那么友好。它使用的資源是石油，石油并不是這個星球上可持續發展的原料，所以從未來可持續發展和綠色發展角度來說，生物制造的重要性特別顯現出來了。中國是一個資源消耗的大國，人口眾多，所以發展生物制造對我們國家未來的可持續發展特別重要，包括對未來的低碳生活也是特別重要的。所有的生產活動當然也包括生物制造，都會產生一定的二氧化碳。但是生物制造用的原料是吸收了二氧化碳的來源于植物的原料，包括二氧化碳本身，所以是低碳的生產活動。

生物制造的發展前景，我認為未來是非常廣大的。未來的更多的制造，特別是材料、燃料、食品、營養品，包括蛋白、藥物等，是更多的使用生物制造的方式進行的。從這個意義來說，生物制造未來是慢慢會取代化工制造，成為一個大的趨勢。

我們國家的生物制造產業在規模上是非常龐大的。比如發酵產業是生物制造里頭最重要的成分，全世界的發酵產業中國占了70%。所以我國在制造規模上是非常龐大的，但是我們也有一些短板，比如我們國家用的很多進行生物制造的核心菌種，是國外過來的。最近國家特別重視，投入了很多資源進行原創菌種的開發，但是需要一些時間。

除了菌種之外，我們國家還有另外一個短板就是裝備，比如高通量的連續離心機，目前我們還是依賴進口，非常昂貴，而且供貨期差不多有一年，對我們未來的發展是一個警示。另外就是進行發酵生產的各種各樣的電極，這些也大部分是國外的，所以這一塊我們國家也要進行進一步的投入，在裝備方面也不留下短板。

“原創芯片”嗜鹽菌的巨大意義

中國網：您兩次獲得生物制造領域國際大獎，成為中國大陸獲獎第一人，可以講一下這兩個獎項的背景嗎？獲獎是否代表著中國在生物制造領域已走在國際前列？

陳國強：我第一個獲得的是國際代謝工程獎，我們實驗室發展了一個嗜鹽菌為（生物）底盤的原創菌種。我們是第一個把嗜鹽菌用到大規模工業生產的實驗室，在整個國家層面來說都是非常重要的一個突破。嗜鹽菌帶來的好處就是整個發酵生產過程或生物制造過程，是低能耗的，而且水可以循環使用。低能耗、低耗水、常溫常壓，生產過程非常友好，更重要的是生產過程不會染菌，不會受環境中的任何微生物所干擾。

我們把它叫作下一代工業生物技術，可以進行連續的生產，所以帶來生物制造成本的大幅度下降。還有我們用嗜鹽菌為底盤開發了各種各樣的工程技術，這也是全世界到目前為止在極端微生物（領域）做到了最好的例子，而且也更重要的是實現了大規模的工業化制造。

第二個大獎是叫作國際生物聚合大會工業獎。這個獎主要是表彰我在一種生物材料叫作聚羥基脂肪酸酯（PHA）方面做出的，也是產業化的貢獻。在國際上做PHA材料基本上都是用兩個底盤，一個羅氏真氧菌，一個是大腸桿菌，已經進行了差不多快50年了，都是碰到同樣的問題：放大非常困難，大規模制造過程中經常會有染菌。用了嗜鹽菌底盤以后，生產PHA產品基本上就解決了過去碰到的染菌放大過程中的一些困難。

所以PHA產業在近幾年得到大力的發展，特別是嗜鹽菌底盤細胞，在國內已經應用于至少5個產業，5個公司在進行大規模生產，這也是對PHA材料走向我們的日常生活提供了很大的貢獻，所以獲得了大獎。不敢說我們國家在任何生物制造方面都是領先于世界的，但是在PHA生物制造我們是領先于世界的。

中國網：生物菌種是生物制造的“芯片”，中國具有自主知識產權的菌種是怎么樣的狀況？您發現嗜鹽菌是怎樣的過程呢？

陳國強：核心菌種是任何生物制造最關鍵的東西，確實就像我們手機上的芯片一樣，是最關鍵的一個部件。

在微生物發酵菌種這一塊，我們現在整個產業用的絕大部分的菌種都是傳統的國外首創的底盤。這里有很多知識產權，基本上都被國外那些大公司包括高校研究所壟斷。如果我們進行大規模的商業活動，有時候會碰到一些訴訟。所以我們認為要開發一些我們國家原創的菌種來繞過壁壘。除了知識產權之外，傳統的國外原創菌種，放大過程中都碰到一些困難，特別是在PHA行業里，在實驗室做都是非常完美的，但是在進行大規模生產過程中，因為很多的不確定的因素，包括氧氣的供應、pH的控制、原料補加的速率控制，還有微生物的代謝不平衡，造成了整個放大過程中碰到很多問題。

我在清華工作了30年，前10年我們用的是跟國外一樣的傳統菌種，碰到很多問題，就是放大過程中的不穩定，還有放大過程中染菌。所以我們雖然做了很多努力，但是放大都不那么成功。

后來有一個偶然的機會，我們實驗室來了幾個從新疆過來的老師同學，他們告訴我說在新疆有一個特別極端的環境，叫作艾丁湖，高低溫不平衡，晚上可以零下20度，白天可以零上80度，鹽濃度達到200克每升，pH堿性。我們有一個新疆的老師，利用假期給我們采集了很多樣品過來，我們從樣品里頭分離到了一些嗜鹽菌，確實能夠有很高的活性。我們做了很多實驗，這種極端微生物，能夠適應各種各樣的環境，它可以幾乎在任何的變量下都快速生長，這就是我們工業方案當中所需要的，我們叫作皮實性。所以我們用皮實的嗜鹽菌做了很多工程開發工具的工作，把嗜鹽菌變成一個穩定的底盤細胞，我們在這底盤細胞上可以構建很多代謝通路，可以制造出多種產品。在穩定的體系上建立一個高強的、產品多樣的生物制造平臺。所以我們有了“下一代工業生物技術”，我認為是在補充我們國家原創菌種底盤上做了一個很重要的工作。

向未來 如何豐富原創菌種

中國網：生物菌種以及極端菌種目前從基礎研究到產業創新方面存在什么問題？明年就是“十五五”規劃的開端，您對生物菌種的發展有什么建議？

陳國強：我們國家原創的菌種，特別是用在生產當中的，少而又少。所以為了未來生物制造更好的發展，特別是向海外發展，我們需要很多的原創菌種來規避各種各樣專利方面的糾紛。

我們認為在自然界中存在的菌種被開發得很充分了，但唯一一個全世界用極端微生物進行生產的，也就清華大學開發出來，就是我們實驗室開發出來的嗜鹽菌。其他進行學術研究的還是有很多的，但是走到生產方面，目前就一個。

希望有更多的原創菌種能夠應用到我們的生物制造產業里，特別是在極端微生物方面，這是一個巨大的海洋，我們國家地理環境應該是全世界最多樣的，我們有極寒的、極熱的、極冷的，還有高原的，包括海洋，包括沙漠，這些都給我們提供了很好的發展極端微生物的環境。

在極端微生物方面，我們有很多嗜酸的、嗜堿的、嗜鹽的、嗜冷的，還有嗜熱的，以及能夠吃一氧化碳、二氧化碳、甲烷，還有產生甲烷的。我們有很多研究極端微生物的機構，有很多極端微生物資源的儲備，但是在做極端微生物分子生物學方面，人才還是非常缺乏的。

目前除了清華大學，還有中國科學院微生物所，很少有機構進行極端微生物分子生物學的研究。我認為極端微生物是一個寶庫，也是一個知識產權的海洋。

未來我們應該投入更多的資源，包括更多的人力，把極端微生物作為生產底盤這個牌打好，直到我們在原創微生物底盤細胞方面有更大的發言權，也補齊我們原創菌種缺乏這個短板，使得我們未來的生物制造能夠在海內外蓬勃發展。

科學家精神：熱愛與堅持

中國網：科學家精神是一切科研成果的基石，您認為發展中國的生物制造，應該具備怎樣的科學家精神？

陳國強：我覺得是全心全意投入到科學研究中，然后把自己的絕大部分的精力都投入到自己熱愛的科學研究中。還有另外一點是“堅持”，因為所有的研究都是一個非常痛苦的過程，也是一個充滿了失敗的過程。

有人說科學研究90%是失敗的，我自己覺得95%是失敗的。只有在你堆積了足夠的失敗以后，可能才能夠找到一個成功的發力點。所以科學家精神就是不怕失敗，認真投入地做好這件事情，然后不斷地堅持，最后有可能成功。當然失敗的可能性也很大，但是我覺得“堅持”是保證成功的最重要的一點，你堅持不一定成功，但不堅持一定是失敗的。

（本期策劃：楊柳春、王振紅；編審：楊柳春、王振紅、王虔；編輯：王虔、文彥杰、武一男。出品：《中國科學院院刊》、中國互聯網新聞中心）

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