氨基酸及核苷代谢调控技术及产业化应用

【科研成果简介】

氨基酸及核苷代谢调控技术及产业化应用

在全球各主要发达国家加速推进生物技术发展的背景下，我国于2010年明确将生物产业列入国家战略性新兴产业．近十年，我国生物产业快速发展，年均增长率为25.1%，比同期GDP 增速高出1倍以上．2012年，我国生物产业产值达2.4万亿元，预计到2020年可接近10万亿元．据统计，发酵工业创造的产值约占生物产业总产值的50%．作为生命体蛋白质的基本组成单位，氨基酸在人和动物的营养健康方面发挥着重要的作用．目前已广泛应用于医药、食品、饲料、保健、化妆品、农药、肥料和制革等领域．氨基酸及其衍生物的种类已由20世纪60年代的50种左右发展到现在的1,000余种，全球每年的需求量已超过800多万吨．

氨基酸工业是发酵工业的支柱产业之一，当前全球氨基酸工业已发展成为品种繁多、门类齐全的庞大产业群．我国是氨基酸生产大国，2013年我国氨基酸总产量达到400万吨，同比增长10%，继续稳居世界第一．产品以大宗氨基酸为主，其中谷氨酸及其盐年产已达240万吨，占世界总产量的70%以上，赖氨酸(122万吨)和苏氨酸(27万吨)产量也居世界前列．近些年，高附加值氨基酸产品的需求快速增长，带动了一些小品种氨基酸和高附加值氨基酸衍生物产品的快速发展．虽然我国大宗氨基酸的生产技术水平已达到国际先进水平，但其他高附加值氨基酸产品与国外先进水平仍有不小的差距．从我国的氨基酸生产现状分析，提升现有氨基酸产品的生产技术水平，加快氨基酸深层次加工和新产品开发是实现可持续发展的必然途径．核苷类物质亦在生命代谢过程中扮演着极其重要的角色，具有广阔的市场前景．

天津科技大学陈宁教授所带领的科研团队长期从事氨基酸及其衍生物和核苷类物质代谢工程及发酵工程方面的研究工作．主要包括：(1)氨基酸及核苷生产菌种的定向改造、发酵过程优化控制及产业化应用．针对我国氨基酸工业存在的菌种产酸水平和转化率低、性状不稳定等不足，在代谢控制发酵原理指导下，综合利用诱变育种、基因工程、组学、合成生物学、高通量筛选等技术，对现有谷氨酸、赖氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、色氨酸、肌苷、鸟苷、腺苷等氨基酸及核苷生产菌种的遗传特性、代谢网络及组学特性进行系统地分析，阐明其代谢途径及调控机制并理性地设计和改造其代谢途径，对其代谢和遗传性能进行优化．通过对生产菌的生理和遗传特征以及反应器特性的研究，建立基于基因水平的分子尺度、代谢调节的细胞尺度以及工艺控制的反应器尺度的多尺度发酵过程优化及放大的关键理论、方法和技术体系．将获得的菌种和发酵工艺应用于实际生产中实现产业化．本研究开发的多种氨基酸生产菌发酵水平处于国内甚至国际领先水平且已实现产业化．如自主开发的谷氨酸温度敏感突变株及其发酵工艺已在山东菱花集团、河北梅花集团、宁夏伊品集团等大型氨基酸企业推广应用；发酵法生产分支链氨基酸在无锡晶海氨基酸公司和山东鲁洲氨基酸公司推广，分支链氨基酸代谢调控技术及产业化项目获得2013年天津市科技进步奖开发类二等奖；发酵法生产鸟苷项目在湖南赛康德公司推广；发酵法生产色氨酸、苏氨酸、肌苷等项目已在多家公司成功推广．上述项目的推广打破了发达国家对我国氨基酸、核苷的技术和市场的垄断，有力地推动了氨基酸和核苷技术转化为生产力的进程，为我国氨基酸和核苷工业做出了突出贡献．(2)氨基酸及核苷发酵产物高效分离纯化技术．研发膜分离、工业色谱、连续浓缩结晶等分离提取新技术及其在不同发酵产物提取工艺过程中的应用；针对生产菌株的代谢途径及发酵过程中发酵产物及副产物特性研发合理的分离提取工艺，降低产品分离过程中的资源和能量消耗，实现发酵产品的高效分离．采用微滤、纳滤、反渗透等膜技术以及离交法等方法及不同分离提纯工艺对氨基酸进行分离，分别获得了高纯度的分支链氨基酸、谷氨酸、苏氨酸、色氨酸及鸟苷等．该研究在山东菱花集团、河北梅花集团、宁夏伊品集团、无锡晶海氨基酸有限公司和山东鲁洲氨基酸有限公司等多家企业得到推广．(3)抗逆菌株的选育及新型发酵产品生产菌株的开发．针对我国氨基酸和核苷生产菌株抗逆性差、工业耗能大、新型氨基酸及氨基酸衍生物种类相对较少等问题，采用系统生物学和合成生物学的理论和技术选育或构建耐高温、耐酸碱的抗逆的苏氨酸、色氨酸、谷氨酸等生产菌株，达到提高菌种生产能力和抗逆性、降低生产成本、节约能耗的目的；构建并定向改造氨基酸衍生物、利巴韦林、α-酮戊二酸的方法等新型发酵产品生产菌，延伸微生物制造产业链，大力发展新产品，为微生物制造技术奠定了理论基础．

近年来，我国氨基酸工业取得了很大的进步．但也要看到，与世界氨基酸产业强国比较，我国氨基酸领域的技术创新能力相对薄弱，新型氨基酸产品及衍生物开发也存在明显不足．产品多元化、生产高效化、质量高端化和应用扩大化是氨基酸工业的长期发展目标．当前形势下，新技术应用和新产品开发是我国氨基酸工业实现可持续发展的两个最重要的因素．因此，提高技术研发和自主创新的能力是氨基酸工业发展不变的主题．虽然我国氨基酸工业发展存在一定的问题，但相信自主创新体系的完善将极大增强我国氨基酸工业的核心竞争力，促进我国氨基酸工业向着良性健康的方向发展．

供稿：生物工程学院 张成林