“反式乌头酸微生物绿色制造技术”获2024年省技术发明一等奖

齐鲁晚报·齐鲁壹点曹婧雯

反式乌头酸是一种小分子有机酸，因独特的化学结构使其具有很好的应用价值。中国科学院青岛生物能源与过程研究所（下称“青岛能源所”）与山东鲁抗医药股份有限公司（以下简称“鲁抗医药”）联合完成的“反式乌头酸微生物绿色制造技术”项目，突破了反式乌头酸生产难的“卡脖子”困境，通过高效、低成本的微生物绿色制造技术实现了其规模化量产，该技术荣获2024年度山东省技术发明一等奖。

着眼细处攻克技术壁垒

解决“三个问题”突破反式乌头酸生产难题

反式乌头酸，一个听起来拗口的名字，实际上却离我们的生活并不远。它是一种国际粮油组织批准的一种食品添加剂，具有很好的安全性，更重要的是在农业、医药和化工领域都具有广泛应用前景。在传统生产方式中，反式乌头酸主要从植物中提取，即使在甘蔗等含量偏高的原料中，反式乌头酸的含量也仅有0.1%～1%，分离纯化成本非常高。化学合成法则面临副产物多、污染严重等问题。这些技术瓶颈导致反式乌头酸始终无法实现规模化生产，严重制约了其下游应用开发。

青岛能源所瞄准这一问题深耕多年，以工业土曲霉作为底盘细胞，系统构建了“使能技术—细胞工厂—发酵工艺—分离纯化”一体化的技术体系。换句话说，就是通过合成生物技术，将微生物改造成“超级工厂”，将淀粉糖转化成反式乌头酸，同时借助发酵工艺及分离纯化技术实现反式乌头酸的量产。科研之路走起来艰辛，项目第一完成人、青岛能源所所长、党委书记吕雪峰研究员带领团队，如闯关打BOSS般攻克技术难关。吕雪峰称，反式乌头酸研发攻关的核心，可以具体概括为解决了“能不能改”“会不会改”“好不好用”这三个问题。

“能不能改”是解决工业菌种遗传改造的难题。针对这个方面，团队开发了基于CRISPR技术的高效基因编辑技术，实现了工业菌种底盘的高效改造。“有了合适的工具，我们对菌株基因的编辑效率从5%提高到近100%，实现了对工业菌株的精准遗传操控。”吕雪峰介绍道。

接下来面临的是“会不会改”的问题。有机酸在生物体内的代谢合成非常复杂，怎样才能实现反式乌头酸高效合成？团队结合发酵过程代谢规律，解析反式乌头酸的生物合成机制，经过三代基因工程菌株的迭代开发，使完全不产反式乌头酸的土曲霉菌株可以合成反式乌头酸，实验室摇瓶产量达到了57g/L，实现反式乌头酸产量从无到有、从低到高的持续突破。

有了实验室里高产的工程菌株，最后就是菌株在工业生产中“好不好用”，是实现产业化落地的关键。“我们与合作企业鲁抗医药一起，多尺度层面系统优化发酵工艺，并完成逐级放大，直至十吨级生产示范验证，最终十吨罐中产量超过100g/L。”吕雪峰说道。目前，在核心问题不断攻克、技术持续突破的情况下，团队与鲁抗医药联合推动并实现了全球首条反式乌头酸生产线的正式投产运行。解决反式乌头酸的生产难题后，其原料充足易得，下游应用开发也变得广阔可行。

促进成果转化推动产品应用发展

反式乌头酸为多产业“造血”

从反式乌头酸原料创制最终到产业化的全链条发展过程中，团队始终坚持以产业需求为导向，加速推进了项目从研发到产业化落地的进程。

在农业领域，随着国家“绿色农业”和“健康中国”的要求，传统高毒杀线虫剂已被禁止或限制使用，常用的杀线虫剂已经出现耐药性问题。目前，线虫的防治手段非常有限，针对农业上这一世界性难题，反式乌头酸“挺身而出”。这种新型安全绿色杀线剂，大田实验中针对黄瓜、莴苣等根结线虫的防治效果非常显著。“目前我们正在与合作企业鲁抗医药一起推进反式乌头酸新型杀线虫生物农药开发，为线虫危害提供新的防治方案，助力中国具有自主知识产权的新生物农药产品的开发。”吕雪峰介绍道。

在化工领域，增塑剂是橡塑加工过程中必需的核心改性剂，主要是降低材料的加工难度，提升材料性能。特别是聚氯乙烯塑料，也就是大家常说的PVC塑料，增塑剂赋予PVC塑料材料可塑性，使制品变得柔软易加工，从而呈现出加工者想要的形态。增塑剂年需求量近千万吨，目前应用最广泛的增塑剂是石油基邻苯类增塑剂，但是这类增塑剂已经被证实具有安全毒性，尤其是危害青少年生殖发育，全球主要经济体都开始禁止或限制这些有毒增塑剂的使用。针对数百万吨邻苯类增塑剂因健康危害亟须被替代而又无法替代的产业困境，吕雪峰称，团队使用上游基于合成生物技术制备的生物基反式乌头酸，经过酯化及定制化设计，开发了新一代安全性和增塑性能优异的生物基增塑剂反式乌头酸酯，并建成了全链条技术贯通的生产示范线。目前，反式乌头酸酯增塑剂已经成功应用于耐低温型氯丁橡胶、聚氯乙烯复合材料的开发并实现了商业化销售，同时围绕医用PVC材料等领域拓展更多的应用场景。

反式乌头酸在多方面具有广阔的应用前景，“我们开发的‘反式乌头酸微生物绿色制造技术’作为解决原料可及性的关键，受到了相关企业的广泛关注。目前已与企业合作成功推动了技术的生产示范验证并取得重要突破。”生产技术的突破，推动了反式乌头酸被九部委发布的《精细化工产业创新发展实施方案2024—2027年》列为重点发展的生物基化学品，未来将有效赋能特种橡胶、医用PVC材料、生物农药等行业的高质量发展，实现科技创新和产业发展双赢。