微生物生物技术助力化学创新

人类在化学的帮助下解决了很多问题。比如，20世纪早期，氨肥的发明使得农业种植效率显著提高，从而养活了全球迅速增加的人口。然而，世界上还存在一些挑战，即使是最优秀的化学家也无法找到既经济又高效的技术解决方案。在某些情况下，细菌则可提供帮助。借由生物技术，细菌可以完成一些非常复杂的反应，其中最为重要的一个反应就是“发酵”。

上百年来，发酵一直被用于酿酒等领域。直到19世纪，法国微生物学先驱路易·巴斯德才将发酵的基本原理作为科学研究的对象。巴斯德发现了葡萄汁转化为葡萄酒的机制，这一过程的关键因素是无需氧气就能存活的微生物。巴斯德将这一过程命名为“发酵”（fermentation）。如今，在生物技术领域，“发酵”的定义更加广泛，指的是通过细菌、真菌、细胞培养物或者通过添加酶类，对有机分子进行转化。

直到今日，人们才真正认识到发酵的潜力。其中一个例子就是赖氨酸。作为一种氨基酸，赖氨酸可以参与人体和动物机体中蛋白质的合成。人体和动物机体无法自行和生成赖氨酸，因此必须从食物中摄取。对于畜牧业而言，赖氨酸可确保动物营养均衡，提高饲料转化率，是一种必不可少的物质。

但是这里有一个问题：人体和动物机体只能利用特定的赖氨酸（即L-赖氨酸），而以化学方式生产L-赖氨酸非常复杂。20世纪80年代，德固赛（赢创前身公司之一）的科学家们不断尝试以成本效益较高的方式实现L-赖氨酸的工业规模生产，但都以失败告终。这是因为，传统化工生产工艺的产物通常是L-赖氨酸和D-赖氨酸的50-50混合物。这两种赖氨酸就如同人的左右手：看上去相似但用起来不同。

一种发酵工艺带来了突破：某些细菌可以选择性地生成所需的生物活性L-赖氨酸。赢创发酵工艺专家Timo May博士表示：“只要选择了正确的细菌生物和工艺，即使最复杂的分子也能从糖等碳源里提取出来。”当年发现的可以生产出L-赖氨酸的生物技术，如今已经发展成赢创最重要的技术平台之一。

发酵工艺能够以成本效益极高的方式生产产品，L-赖氨酸只是其中一种。基于发酵工艺的生物技术应用范围非常广泛，涵盖从动物饲料到化妆品和药物。一般来说，发酵工艺比传统生产法更具可持续性——这一工艺使用可再生原料，效率高，并且可以生产出生物产品。

举例来说，赢创与Veramaris的合资企业采用发酵工艺生产用于动物营养的海藻油。这种海藻油含有Ω-3脂肪酸DHA和EPA，可替代传统饲料鱼油，有利于推动水产养殖业的可持续发展。另一个例子是鼠李糖脂，这是全球首款实现工业化生产的生物表面活性剂。得益于发酵工艺，这一产品100%可生物降解，因此具有较高的环境效益。

一些近期的创新成果还包括通过细菌发酵工艺生产定制超高纯度胶原蛋白。这一结构蛋白质可用于化妆品和医学技术领域，比如抚平皱纹、治疗软骨缺损等。不同于传统工艺生产的动物源材料，使用特殊细菌生产的胶原蛋白可以消除质量差异、过敏反应和疾病传播的风险，从而提高安全性。另一项最新的应用是一种基于生物技术衍生纤维素的医用伤口敷料。

Timo May和同事们对微生物生成高度复杂分子的方式十分着迷。“微生物可以同时进行多个必要的反应。而在化学合成过程中，这些反应通常涉及多个连续的步骤，因此需要极其复杂的设备。” Timo May表示。微生物这种独特的能力也使得人工光合作用成为可能。目前，赢创正与西门子合作，积极开发这项技术。赢创的研究人员开发了一种发酵工艺，借助特殊微生物，可将二氧化碳和水通过化学和生物步骤结合转化为化学物质。目前，赢创已在位于德国的马尔生产基地建立了一座中试厂。

先进的生物技术生产工艺离不开菌株开发、发酵、产品精制技术这三方面的支持，也需要来自各个领域的科学家紧密合作。生物技术始于找到一种能够以天然方式生产出所需产品的微生物。比如，大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌可用于生产氨基酸。在菌株培养过程中，科学家需要对微生物进行优化，目的是使微生物尽可能多地将其碳源（通常是糖）转化为所需产品。如果微生物不适合工业生产（例如对人体具有致病性），则需寻找经证实的无害微生物进行生产。

在工艺的初期，微生物仍然可以繁殖并形成生物质，通常这一过程在发酵罐中发生。而后，生物技术专家需要控制时间点，将微生物的代谢过程引向所需产品的生产。科学家会通过添加或去除某些物质来控制这一方向变化。经过几小时到几天不等的一段时间之后，微生物将失去活性，排出发酵液。最后，我们可以从发酵液中提取出所需产品。

由于产品各异，因此在早期阶段，生物工程师需要和市场专家进行商讨，以便能对生产工艺进行精确的定制。举例来说，作为膳食补充剂或饲料添加剂的一种成分，益生菌需要在人或动物的肠道里再次变得有活性，从而提供有益的代谢产物。因此，在其生产过程中，温和的干燥过程非常重要。此外，生产工艺的稳定性、产品质量以及成本效益也是工艺开发中重要的考量因素。

赢创正持续优化生物技术工艺，包括探索高性能微生物来适应生产和精制工艺、进一步开发菌株，以便得到成本效益更高的工艺等。赢创的目的是在尖端科技的帮助下，让古老的生物发酵技术能够人类今日所面临的问题带来可持续的解决方案。