微生物在人们的日常生活中无处不在，就饮食方面来说，诸如面包、味精、酱油、啤酒等食品其实都是微生物发酵的产物，而这背后，都离不开性状优良的微生物菌种。

菌种是微生物产业的核心命脉，如同芯片之于半导体产业。近年来，随着基因工程、代谢工程、基因编辑、液滴微流控以及合成生物学等技术的发展，为微生物优良菌种的筛选以及效率提升带来了新机遇。

近日，生辉采访到华南理工大学生物科学与工程学院副教授叶健文博士，他围绕微生物育种、合成生物学、聚羟基脂肪酸酯（PHA）新材料制造等方面的发展现状和应用前景进行了解读。

图｜华南理工大学生物科学与工程学院副教授叶健文博士（来源：受访者）

在华南理工大学本科毕业后，叶健文被保送至清华大学攻读博士（直博），师从陈国强教授，研究课题是针对盐单胞菌、假单胞菌、大肠杆菌、罗氏菌等微生物的基因改造以及下游工业应用，并在陈国强教授课题组继续完成博士后研究工作。

如今，叶健文在华南理工大学生物科学与工程学院担任副教授、博士生导师，研究方向主要围绕微生物基因改造和下游工业应用，继续拓展以盐单胞菌为底盘的“下一代工业生物技术”（为清华大学陈国强教授提出）。截至目前，叶健文以通讯作者在 Nature Communications、Advanced Materials、Trends in Biotechnology、Metabolic Engineering、Bioresource Technology、Essays in Biochemistry 等期刊上发表论文  20 余篇，申请/授权发明专利 19 件，获“伦世仪教育基金”青年学者、林道诺贝尔青年科学奖（化学）等荣誉。

“总结起来，我在整个学术生涯中有两个核心关键词，科研和创业。”叶健文介绍道，“科研方面主要是围绕盐单胞菌进行基因改造；创业方面，则是将先前研究的微生物投入到工厂以及进行规模化的工业生产。”叶健文坦言，创业期间他曾在中试车间连续不眠工作 70 多个小时，“现在回想起来自己非常珍惜和感恩那段时光，陈教授等给了我一个广阔空间和平台，在各方面都得到了很好的历练和成长。”他说道。

微生物育种是生物制造产业的重要支撑

与植物育种相类似，微生物育种是培育优良微生物的生物学技术，其大体可划分为两类，自然选育和人工选育。“自然选育是从自然界中去筛分一些有特色的微生物或底盘菌，而人工选育则是通过化学诱变、等离子诱变等方式去对微生物进行突变选育。这两种育种方式既可以结合，也可以独立。”叶健文介绍说。

“当基因改造短期难以进行突破或面临难以突破的理论瓶颈时，可以选择基于自然选育的特色底盘，并对其进行功能性强化。这便涉及基因改造，核心在于将其功能性的分子机制或代谢机制进行研究、强化以及提炼，甚至可‘移植’到传统模式底盘中以实现同样的功能。”他说道。

前景方面，在叶健文看来，微生物是生物合成的重要底盘选择，因此微生物育种在未来的生物制造工业中拥有广阔的应用前景，也是作为一项基础技术来支撑生物制造产业的发展。

应用前景被普遍看好，然而现阶段包括高通量和筛选流程设计，以及人工选育菌株遗传稳定性、可编辑性等都是微生物育种所面临的挑战。“虽说目前还没有一种通用型技术体系能够克服所有挑战，但在某个环节我们正在进行技术突破，因此可以通过‘逐个击破’的路线来逐步建立体系，并解决当前面临的各种挑战。”叶健文表示。

作为一种技术手段，选育优良微生物菌株的重要应用之一便是新型生物材料的高效合成制造。而如今随着限塑令升级，及碳中和、碳达峰目标的提出，以基因工程改造的微生物合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）的工业生物技术倍受市场关注。

PHA 是一种由微生物合成，具有良好生物相容性、可降解性的高分子聚酯材料。据介绍，作为一种新型生物材料，PHA 的生产制造过程为全生物合成，是绿色可持续的，而且其发酵条件比较温和。与此同时，PHA 材料本身为完全生物可降解，是目前生物基材料中可以实现自然条件下完全生物降解的聚酯材料。

对于现阶段 PHA 生物制造和加工过程所面临的挑战，叶健文总结了三个方面。

首先，成本，即如何把 PHA 的生产成本降到与化工生产塑料大致相当水平；

其次，稳定性，即如何保证发酵过程批次出料的性能稳定均一。“PHA 是生命体系中合成的材料，由于每个细胞存在差异性，因此很难保证所有细胞合成的 PHA 性能完全相同，比如，各个细胞的产量、产率以及所合成 PHA 的物理化学特性、热力学特性等能否维持稳定。”叶健文表示。

再次，PHA 周边的产业配套（制造与加工）。“毕竟 PHA 是一种刚进入市场的全新材料，所以它的发酵生产、下游加工及改性等规模化产业需求能否快速匹配显得非常关键。”他指出。

除此之外，生产工艺也是当今所面临的一大挑战。“以盐单胞菌、大肠杆菌、罗氏菌等不同底盘细胞为代表的不同合成技术各有特色，工程集成后综合考量方可显出优劣，不可一言以蔽之，也不能妄下定论。如何综合工艺特色，利用工程化理念，拨动技术性与经济性的平衡点，实现工艺系统的全局优化和持续技术迭代，才是决定 PHA 未来的成本、稳定性和规模化成功与否的关键。”他说道。

对此，叶健文认为解决问题的关键在于生产成本的分析与技术体系的剖析，然后对整个工艺系统进行优化，同时匹配相应的菌株或工艺改造设计。“目前，PHA 生产过程是一条全新的工艺路线，需要从大到小不断进行聚焦。上游层面，菌株优化势在必行，其不但决定转化率，也决定生产强度以及材料稳定性；下游层面，生产工艺、材料加工等也需要进行匹配和协同。”他表示。

任何产品的规模生产都需要经历一个扩大化过程，对于 PHA 而言成本是一个关键点，需要以降低成本为核心进行工艺优化与扩大，实现从小到大规模化生产的有序开展。“作为一种新型绿色材料，同时也是合成生物学发展至今具有辨识度的产品之一，PHA 的应用场景非常大众化，能够覆盖低、中、高端多种应用市场，PHA 的应用前景未来可期。”叶健文指出。

图｜工程改造盐单胞菌合成 PHA 及高值产物（来源：Essays in Biochemistry）

不论是微生物育种，还是 PHA 的生物合成，这些其实都属于合成生物学的范畴。作为生物科学在本世纪孵育的一个多学科交叉的重要分支学科，合成生物学迅速崛起。就国内而言，叶健文表示，“近年来，国内合成生物学领域也实现了快速发展，其中，‘快’更多的是体现在上游技术层面。”比如基因编辑、DNA 合成、DNA 测序等技术手段。“然而，相较于上游技术的快速发展，下游的产业匹配则相对后知后觉，包括工业/工程的匹配、生产装备/集成系统的匹配等。此外，围绕生物制造体系，技术经济性、工程可行性和稳定性评价等还都需要进一步强化。”他补充说。

除了技术层面，还有一个重要的因素是人才培养体系的培养与搭建。“既了解上游的技术开发，也了解下游的工程生产的复合型人才非常重要，复合人才培养体系的搭建将有利于合成生物学的产业落地。”叶健文指出。

“整体来讲，整个合成生物学领域是欣欣向荣的，有很大的想象空间，未来可期。”谈及未来发展前景，叶健文总结了三个“度”：既要从悲观的角度来审视合成生物学技术的进步，也要从乐观的态度来踏实地做好当下的研究工作，此外，还要从人文的深度，来思考技术进步、科研工作者个体等与社会发展的关系。“有了这些思考便可以反向促进并有利于技术的良性发展与市场竞争，而这也是我在清华大学求学期间邱勇教授所提倡的‘人文日新’的理念。其实，理工学科更需要有人文的思考，只有这样才能更好的辅助我们去做好技术开发的同时，也不忘记整个产业生态建设的初心。”叶健文说道。

工程是科研必经的扩大化过程，成本和稳定性是关键

现阶段，叶健文正带领团队围绕极端底盘微生物进行创新技术开发，比如代谢工程、生物发酵和匹配下游工艺放大技术体系，以及基于新的底盘技术进行多产品管线的生物合成，进而实现更高效、更绿色低碳的生物制造过程。

“绿色生物制造过程涉及到下游比如功能性 PHA、高附加值氨基酸衍生物的生产，以及上游比如二氧化碳、生物质等碳源的综合利用体系等。其中，比较核心的是基因编辑、菌株改造，以及与之相匹配的下游的生物发酵、分离纯化工艺等部分，并且这两部分必然是密切衔接的。”叶健文指出。

图｜传统工业生物技术与新一代工业生物技术对比（来源：Chinese Journal of Bioprocess Engineering）

关于课题组的新研究进展，叶健文概括了几个层面：

首先，选育层面，他和团队基于自主设计的选育流程，在一些极端环境中取样并进行微生物底盘的自然选育，并进行了发酵优化和代谢强化。其中，代谢强化包括两方面，一方面是围绕菌株对底物的代谢利用，在菌株“天赋”的基础上再进行强化；另一部分围绕菌株的代谢产物。“因为有些底盘比较偏好或适合去合成某类型的产品，所以我们就会对它的代谢途径进行进一步强化。”叶健文解释说。

第二，产品层面，主要围绕 PHA。“PHA 是一个大品类，经历过数代的优化，后续还可以进行更多的多元化聚合单体设计，比如不同单体的摩尔比例可能会影响 PHA 材料性能，再比如 PHA 聚合过程的控制等，我们目前也在开展 PHA 合成的研究工作。”他说道。“除了 PHA 之外，我们还基于氨基酸衍生物的生物合成取得了一些新进展，现阶段正在搭建一个以二氧化碳为碳源的综合利用体系，目前已经形成了较成熟的工程技术体系雏形。”

谈及课题组下一步的研究动向，叶健文表示，接下来计划构建以盐单胞菌为主、模式生物为辅，以工程技术应用为导向的“产学研”一体化技术平台。

据介绍，之所以要以模式生物为辅，是因为盐单胞菌的代谢特性、基因组信息以及基因编辑改造等需要借助模式生物的研究背景和信息作为支撑与辅助，“所以我们也会同步开展基础研究来探索模式生物的机制和基因编辑的共同性，以便于更好地研究盐单胞菌。”他说道。

与此同时，“在做好科研的同时千万不能丢掉工程部分。”叶健文指出，比如，在实验室里构建出比较好的底盘细胞，然而在进入工厂规模化生产时很有可能会被一个很小的问题卡住，导致整个项目和产业化进程被搁置。“所以，我们在科研的同时会考虑很多产业化问题，探索下游工程技术可能会存在什么样的潜在风险点，进而结合风险点来反向进行上游细胞工厂的开发和匹配等。”他补充说。

具体到产业落地，在叶健文看来，非常核心的技术问题是稳定性，比如菌株本身（如遗传物质、代谢活动等）的稳定性和菌株性能的稳定性，以及下游工艺的稳定性等。“稳定性与规模化生产的经济性和可行性密切相关，也会涉及到下游工艺的设计问题，可以说，稳定性问题在产业化中反而会占据主导因素。”他指出。

对于实验室“科学研究”和工业化“规模生产”两者之间的关系，在叶健文看来，“从科学研究到规模生产必然会经历一个逐步放大的过程，而这个过程好比是科学研究的‘照妖镜’。科学研究前期的思考深度或技术完善程度，在这个过程中都会有一个很好的体现。”他指出。

科学研究更多的是聚焦于技术、机制、自然规律等的前沿探索，属于上游技术开发层面，不需要太多的考虑成本、稳定性等要素。但是在规模生产中，经济性和稳定性反而更为重要，因其与市场密切相关，直接关乎市场的可接受程度。比如，生物合成产业较为关注的三个金标准，产量、产率以及转化率。

“在规模生产过程中需要考虑的问题会比科学研究更为系统，而技术先进性并不是首要因素，更多时候，一些工艺微调、设备迭代以及组合式创新等在规模生产中是为更重要的。”叶健文表示。

谈及产业转化，叶健文坦言，目前国内在生物制造领域的人才缺口仍然存在，因此现阶段主要回归母校（华南理工），依托生物学院的工程学平台特色，以科研和人才培养为主线，教研相长。“在华工的开展科研的一年半里，一直聚焦技术研发和产业转化，和企业保持密切的产学研合作联系。同时，希望在明年能够形成一个初步的成果转化计划，对下游应用乃至整个产业产生积极的力所能及的输出。与此同时，我们团队也正在与企业开展合作，以期通过我们新开发的技术助力企业实现超预期的成长，使得技术能够得到市场认可、产生价值，进而形成相互促进的协同效应。”他总结道。