Das erste seiner Art in unserem Land! Diese Technologie hat das „Death Valley“ erfolgreich durchquert →

Wenn es um PHA geht, sind Sie möglicherweise mit diesem Begriff nicht vertraut.

Wenn ich Ihnen jedoch sage, dass PHA mittlerweile in vielen Bereichen wie Geschirr, Lebensmittelverpackungen, 3D-Druck, Textilfasern, medizinischen Geräten usw. eingesetzt wird, werden Sie das Gefühl haben, dass es nicht mehr weit von unserem Leben entfernt ist.

Chen Guoqiang, Professor an der School of Life Sciences der Tsinghua-Universität und Direktor des Zentrums für Synthetische und Systembiologie, stellte vor, dass PHA oder die Materialfamilie der Polyhydroxyalkanoate ein neues Material ist, das aus Zellen wächst. Es ist in der Natur vollständig abbaubar und ungiftig und harmlos.

Schon vor 30 Jahren erkannte Chen Guoqiang, dass PHA die Zukunft der grünen Materialien sei, und begann entschlossen mit der Forschung und Entwicklung der Bioproduktion von PHA.

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Lösen Sie den Schmerz einer „Bakterieninfektion“

Um die Verwendung von Kunststoffen auf Erdölbasis zu reduzieren und eine stärkere Verschmutzung der Umwelt zu vermeiden, suchen Forscher nach abbaubaren Alternativmaterialien. Bioherstellung ist einer der anerkannten alternativen Wege der Materialproduktion.

Bioherstellung ist, wie der Name schon sagt, der Prozess der Neugestaltung und Transformation von Organismen, um Chassiszellen mit hervorragender Leistung zu erhalten und diese Zellen dann als Fabriken zur Herstellung verschiedener vom Menschen benötigter Materialien zu verwenden.

Unter vielen Biomaterialien bietet PHA die Vorteile der Biokompatibilität, Thermoplastizität und Abbaubarkeit. Auf der Grundlage der Forschung und Praxis der letzten Jahre kam Chen Guoqiang 1994, nachdem er seine Postdoc-Forschung im Ausland abgeschlossen hatte, an die Tsinghua-Universität, stellte ein Team zusammen und widmete sich der Erforschung der Massenproduktion von PHA.

Im Labor lassen sich viele Probleme nicht so leicht aufdecken. Doch sobald die Größenordnung in Fabriken steigt, treten Probleme auf. Chen Guoqiang entdeckte, dass das erste und wichtigste Problem die „Kontamination“ war: Bei der Kultivierung mikrobieller Zellen wuchsen neben ihnen auch andere Pilzmikroorganismen.

Sind die mikrobiellen Zellen erst einmal „kontaminiert“, muss der gesamte Fermentationsprozess von vorne beginnen, was zu enormen Verlusten führt. Um eine Infektion der Zellen zu verhindern, muss streng aseptisch gearbeitet werden, was hohe Anforderungen an die Ausrüstung und das Personal stellt und viel Energie verbraucht.

Chen Guoqiang erinnerte sich, dass er viele Arten von Mikroorganismen ausprobiert hatte, das Problem jedoch nicht lösen konnte, bis er zufällig auf extreme Mikroorganismen stieß.

Extreme Mikroorganismen wachsen im Allgemeinen in extremen Umgebungen, in denen gewöhnliche Mikroorganismen nur schwer überleben können und nicht so leicht von anderen Mikroorganismen infiziert werden. Dadurch kann der PHA-Herstellungsprozess relativ offen gestaltet werden, ohne dass komplizierte und langwierige Sterilisationsvorgänge erforderlich sind. Daher richtete Chen Guoqiang seine Aufmerksamkeit auf halophile Mikroorganismen, die schwer zu „kontaminieren“ sind.

Leider suchten die Teammitglieder an vielen Orten, kehrten jedoch ohne Erfolg zurück. Erst im Jahr 2006 gelang es ihnen schließlich, aus Bodenproben eines Salzsees in niedrigen Breitengraden, in dem große Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht herrschen und der Salzgehalt höher ist als bei Meerwasser, einen Stamm zu isolieren, der sowohl Salztoleranz als auch schnelles Wachstum aufweist. Dies sind die halophilen Bakterien.

Aufbau des Fundaments des „Chassis“

Da nun geeignete Stämme zur Verfügung stehen, ist die Konstruktion von Chassiszellen der Schlüssel zur Bioproduktion.

Während des Fermentationsprozesses können Chassiszellen erneuerbare Biomasse wie Glukose, Stärke und Pflanzenöl in PHA umwandeln. Sie sind wie Maschinen in einer Fabrik, die kontinuierlich die Polymermaterialien produzieren können, die wir brauchen. „

Um Chassiszellen zu erhalten, müssen die Gene halophiler Bakterien zerlegt und zusammengesetzt werden. Es entstehen neue Probleme: Halophile sind zu speziell und es mangelt an fertigen Werkzeugen zur molekularen Manipulation.

„‚Molekulares Skalpell‘, ‚molekulare Nahtnadel‘ und ‚molekularer Transporter‘ sind allesamt unverzichtbare Werkzeuge.“ Chen Guoqiang erklärte, dass sie jeweils für das Schneiden, Rekombinieren und Transportieren mikrobieller Gene verantwortlich seien.

Ohne Werkzeuge sind halophile Bakterien wie eine „Black Box“, die man sehen, aber nicht benutzen kann.

Plasmidvektoren sind häufig verwendete „molekulare Transportvehikel“, die für die Einführung rekombinanter Gene in Empfängerzellen verantwortlich sind. „Allein dieses eine Werkzeug hat viel unserer Energie in Anspruch genommen. Das Team von Chen Guoqiang hat Hunderte von vorhandenen Plasmiden ausprobiert, aber keines davon hat funktioniert.

was zu tun? Nur durch die Erweiterung des Anwendungsbereichs und die Suche nach neuen Plasmiden. Nach unermüdlichen Bemühungen haben wir mehr als 200 Plasmide mit Potenzial herausgesucht, sie einzeln getestet und sind schließlich zu einem Wendepunkt gekommen – 3 davon waren verwendbar!

Mit dem Plasmid wurde die „Black Box“ der mikrobiellen genetischen Modifikation geöffnet.

Auf dieser Grundlage hat das Team eine Reihe von Werkzeugen zur Genomeditierung, Stoffwechselregulierung und Netzwerkoptimierung entwickelt, die die Leistung von Chassiszellen auf verschiedenen Ebenen modifizieren und regulieren können.

Das Forschungs- und Entwicklungsteam benötigte volle zehn Jahre, um die Werkzeuge zur Molekülmanipulation zu entwickeln. Abschließend wurde die Fahrgestellzelle vom Team konstruiert.

Der nächste Schritt war die Produktionsverifizierung, die uns weitere sieben oder acht Jahre kostete. Wir haben Schwierigkeiten wie die Verbesserung des Fermentationsprozesses, die Umwandlung der Bakterienmorphologie sowie die Trennung und Extraktion von Materialien überwunden und schließlich das „Todestal“ der industriellen Skalierung durchquert.

Den Weg der „Transformation“ beschreiten

Im Rahmen der Kampagne zur industriellen Skalierung im Jahr 2018 schlug Chen Guoqiang weltweit erstmals die „industrielle Biotechnologie der nächsten Generation“ vor, die in „Tests im kleinen Maßstab“, „Pilotversuchen“ und der Produktion im großen Maßstab verifiziert wurde.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Technologie von den Unternehmen anerkannt wird. Das Team steht vor einer neuen Hürde – der Transformation der Ergebnisse.

„Die ‚industrielle Biotechnologie der nächsten Generation‘ nutzt ein kontinuierliches Fermentationssystem, das für die Produktion keine Sterilisation benötigt. Es bietet die Vorteile, offen und effizient zu sein, einen geringen Energieverbrauch zu haben und Wasserressourcen zu sparen. Es handelt sich um die 2.0-Version der traditionellen Bioproduktionstechnologie.“ Wu Fuqing sagte, dass diese disruptiven Eigenschaften bei traditionellen Fermentationsunternehmen große Bedenken hervorgerufen hätten.

„Es war schon immer erforderlich, es streng zu versiegeln und bei hohen Temperaturen zu sterilisieren. Jetzt sagen Sie, Sie brauchen es nicht, also tun Sie es nicht?“ Manche Unternehmen glauben sogar, dass das Forschungs- und Entwicklungsteam sie „austrickst“.

Nach einigen Irrungen und Wirrungen fand das Team schließlich ein großes Fermentationsunternehmen, das bereit war, es zu versuchen. Um die Bedenken der Gegenpartei auszuräumen, wurde der Gärtest vor Ort im Unternehmen durchgeführt.

200 Kubikmeter Gärtank, erster Test, Erfolg!

Der andere Ingenieur vermutete: Gibt es einen „Glücksfaktor“? Versuchen wir es noch einmal, dann wird es wieder klappen! Die Zusammenarbeit verlief erfolgreich.

Im Jahr 2021 wurde das erfolgreiche Transformationsunternehmen Beijing Microstructure Factory Biotechnology Co., Ltd. (im Folgenden „Microstructure Factory“ genannt) gegründet und die Industrialisierung kam auf die Überholspur.

„Nach der Gründung des Unternehmens wurde der wissenschaftliche Forschungsfortschritt des Labors, angetrieben vom Markt, auf breiter Front beschleunigt.“ Ouyang Pengfei, Vizepräsident der Microstructure Factory, sagte: „In der Vergangenheit hatten die Stämme drei Generationen in neun Jahren; in den letzten Jahren wurden drei Generationen in einem Jahr iteriert; in diesem Jahr werden voraussichtlich vier bis fünf Generationen entstehen.“

Durch Iteration kann die Leistung des Stamms verbessert werden und es entsteht eine solidere Grundlage für die Industrialisierung.

In Shunyi, Peking, wurde eine intelligente Produktionsdemonstrationslinie mit einer Jahresproduktion von 1.000 Tonnen gebaut und in Yichang, Hubei, wurde eine Produktionsbasis mit einer Jahresproduktion von 30.000 Tonnen eingerichtet … „Wir haben uns außerdem mit Twinings Bio zusammengetan, um die Anwendung der PHA-Industrie in medizinischer Qualität zu fördern und in Hefei, Anhui, eine ‚Leuchtturmfabrik‘ zu bauen, um verschiedene Anwendungsszenarien zu erkunden.“ Ouyang Pengfei vorgestellt.

Im Jahr 2023 verlieh die International Society for Metabolic Engineering Chen Guoqiang aufgrund der Entwicklung und Nutzung halophiler Bakterien und des Beitrags der „industriellen Biotechnologie der nächsten Generation“ zur Branche den „International Metabolic Engineering Award“. Heutzutage werden entsprechende Technologien in großem Umfang in der offenen Bioproduktion eingesetzt.

Auf der kürzlich abgehaltenen Nationalen Wissenschafts- und Technologiekonferenz, der Nationalen Wissenschafts- und Technologiepreiskonferenz und der Konferenz der Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften betonte Generalsekretär Xi Jinping, dass wir auf die Spitzenpositionen der zukünftigen wissenschaftlichen, technologischen und industriellen Entwicklung abzielen, wissenschaftliche und technologische Innovationen in der Informationstechnologie der neuen Generation, der künstlichen Intelligenz, der Quantentechnologie, der Biotechnologie, der neuen Energie, der neuen Materialien und anderen Bereichen beschleunigen und aufstrebende und zukünftige Industrien fördern und entwickeln müssen.

Mit Blick auf die Zukunft ist Chen Guoqiang voller Zuversicht: „Wir werden die tiefe Integration von wissenschaftlicher und technologischer Innovation und industrieller Innovation konsequent vorantreiben, den Industrialisierungsgrad von PHA weiter verbessern und zur Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“ und der grünen Entwicklung Chinas beitragen!“

Quelle: Science and Technology Daily

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