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华理教授从 375 万条酶基因中筛选千余先导酶, 构建广谱通用先导酶库,为生物制造提供高性能核心“芯片”

在全球控制碳排放的背景下,合成生物学被视为未来实现可持续发展的必备工具,而绿色生物催化剂也正在成为各大跨国企业巨头争相研发和专利保护的关键材料

" 催化剂是化学合成过程中的一个关键环节。它不仅可以降低化学反应的活化能,加快化学反应的速率,还能增强反应的专一性,从而提升产品的纯度,减少废物排放,这对于工业生产来说是至关重要的。" 华东理工大学(以下简称华理)生物化工教授许建和说。

其中,酶作为一种温和的绿色催化剂,赋予了生物催化可持续的属性,已成为可持续化工过程的重要一环

图 | 许建和教授(来源:许建和)

许建和教授及其团队长期专注于高活性、高选择性酶的开发,自主规划构建了一个数量达 1200 余种具有完全知识产权的工业先导酶库,例如,羰基还原酶及手性醇 / 胺脱氢酶等。

这些先导酶库中有限数量的 " 侦察兵 ",能代表 375 万个羰基还原酶的基因序列,范围覆盖 2000 万个同类酶的结构及 18 亿条相似蛋白序列。从源头助力低成本高效率地生产高附加值功能化学品。

图 | 基因修饰的大肠杆菌作为生产工程化菌毛生物膜的工厂(来源:Nature Chemical Biology)

诺奖指路绿色催化,酶催化剂成科研界 " 新宠 "

一直以来,高性能催化剂的设计与合成都是化学领域的关键科学问题之一。诺贝尔化学奖也多次关注不对称催化领域。

2018 年,弗朗西斯 · 阿诺德(Frances H. Arnold)由于进一步发展了酶的定向进化方法,大大加快了酶催化剂的设计速度,而获得了当年的诺贝尔化学奖;

2021 年,诺贝尔化学奖授予本杰明 · 里斯特(Benjamin List)和大卫 · 麦克米兰(David W.C. MacMillan),因其开发了模拟生物酶的有机小分子催化剂,并揭示了这种催化剂在不对称有机合成中的巨大应用潜力。

不难看出," 绿色 " 已成为诺奖考量的重要因素之一。在这种趋势下,化学反应的催化剂正向着安全、高效、低成本的方向发展,也因此激发了众多科学家们开发酶催化剂的热情。

事实上,酶被如此青睐原因有很多。首先酶是一种天然的生物催化剂,生物体内成千上万的化学反应均需各种功能不同的酶催化才能够发生并受到精准调控。更为重要的是,生物体内的合成过程自身就是可持续的,因此,酶催化的合成过程将有机会实现从原料到产品全周期的绿色生产。

图 | 葡萄糖苷酶将麦芽糖转化为两个葡萄糖示意图(来源:维基百科)

然而,酶也有一定的缺陷。许建和教授指出,酶是自然界的产物,它天生不是为工业生产服务的,而是为生物自己的生存和进化服务。天然的酶分子可能不太稳定或者活性很低,工业上应用的成本则会很高,导致产业化困难。

因此,掌握酶在工业应用上的难点和痛点,不仅是工业化应用的前提,且需要大量工程实践经验的积累。

而提及绿色生物催化,就不得不提到许建和教授,长期以来,他一直致力于推动生物制造技术的实际落地和开花结果,并曾在生物反应器工程国家重点实验室工作长达二十多年,经验丰富,学术成果斐然。

深耕生物化工20 余年,助力国家重点实验室发展

许建和教授是改革开放以来国内生物化学工程的首批研究者之一,致力于合成生物学领域中新型酶催化剂的研究开发和生物催化过程技术的产业化应用,将绿色生物制造过程从实验室里的微孔板扩大应用到企业的大规模生产线,拥有丰富的工程化专业知识和实践经验。

据悉,许建和于 1987 年本科毕业于清华大学化学系,1995 年获得华理和京都大学联合培养博士学位,随后,在华理开启了生物化工和合成生物技术的研究之路。

值得一提的是,华理的生物化工专业在国内首屈一指,且从建校之初的抗生素制造工学开始,就是一个国内独具特色和优势的重要学科分支,70 年来为全国生物化工和合成生物学领域输送了大量优秀专业人才。

目前,华理正在努力构筑生物工程领域的人才培养高地,且已培养出多位院士专家学者,如杨胜利院士、李永舫院士、刘昌胜院士等。

图 | 许建和教授(来源:许建和)

2006 年至 2017 年,许建和教授曾担任生物反应器工程国家重点实验室主任,该重点实验室依托华东理工大学,主要面向生物工程学科前沿,其最大的特点就是将生物科学与化学工程紧密结合。

在许建和引导和带动下,该实验室以生物反应器智能化为核心,同时结合企业的生产需求和产业的发展方向,让生物技术落地于实际生产,从而取得一系列成果问世,不断彰显生物化工的社会价值。如今,华理的合成生物学和生物化工学科正依托着生物反应器工程国家重点实验室蓬勃发展。

目前,许建和教授已经申请专利接近百项,获得授权专利约 80 多项,其中成功实现了产业化的有将近 20 项。也因此获上海市技术发明一等奖、杜邦杰能科中国酶工程杰出贡献奖和谈家桢生命科学创新奖等荣誉。

深耕生物化工近三十年,许建和对酶元件的积累和挖掘达到了一个令人吃惊的地步,如羰基还原酶、羟化酶、酯水解酶、氨基转移酶、亚胺还原酶、环氧水解酶、腈水解酶、羟腈裂解酶、醛缩酶等,构建了一个庞大的实体资源库,初步解决了 " 酶到用时方恨少 " 的困境。

然后,许建和将数以亿计的天然酶元件和人工酶元件通过科学规划和计算分析,建成品种逾千、广谱通用、极具代表性的先导酶库,为生物制造产业提供一系列高性能 " 芯片 " 器件

这些高性能生物元器件有着广阔的应用空间,可用于合成包括手性醇、手性胺、香料、寡肽、萜类、甾体、酰胺等在内的十多种产品类别,并拓展到医药、化工、农业、保健、美妆等众多应用领域。

探索产学结合之道,以 " 中试 " 加速规模化生产

生物化工的最终目标,就是将生物技术运用在生产过程中,并且大批量地制造目标产品。

为了完成这一目标,许建和教授身体力行地践行产学相结合的理念,在工程应用领域中成果同样显著。

图 | 许建和教授(来源:许建和)

其主持完成的代表性项目:生物催化剂的快速定制改造及高效合成手性化学品的关键技术,在与苏州富士莱医药股份有限公司的深度合作之下,成功地运用于(R)- 硫辛酸的创新生产工艺之中,这在全球范围内属于开天辟地第一回。

硫辛酸具有与维生素类似的功能,其抗氧化性在医疗和保健上具有极高的价值,达维生素 E 的 500 倍。合作企业通过绿色酶催化工艺合成的硫辛酸系列产品均获得世界卫生组织良好生产规范(Good Manufacturing Practice, GMP)的认证。

基于酶的构效关系解析和定向进化策略,该团队成功将天然羰基还原酶的催化效率提高 960 倍,稳定性提高 1940 倍,得到高性能的(R)- 硫辛酸合成酶催化剂;

在化学工艺上,该团队创新地采用 " 酶 - 化学偶联法 " 合成技术,相比于化学全合成工艺,使得产品合成步骤缩短一半,产品收率提高一倍以上,生产成本降低 27%,三废排放减少 45%。该项目见证了高效酶催化剂从实验室到工业应用的进化之旅

不过, 许建和教授也提醒道," 从实验室到生产线,优化和放大是亟需解决的关键工程问题。实验室的成果想要从试管放大到生产规模,蕴藏的风险非常大。因此,中试模拟是不可或缺的。"

实验室探索阶段,合成规模相对较小,显然无法和实际工业过程划上等号,且无法发现扩大化生产之后可能出现的问题。同时,大规模生产中的传质和传热过程需要进一步优化,而在实验室制备时并不需要考虑这些令科学家头疼的工程技术问题。

图 | 团队近期工作,一种新的羟基腈裂解酶用于一系列非天然氰基氢化合物的合成 [ 1 ] (来源:ACS Catalysis)

基于此考虑,许建和团队从 2003 年起,就开始与江苏常州的一家企业合作进行中试。

2012 年,其团队在扬子江畔的常熟市国家开发区独立筹建生物合成中试工厂,付出诸多心血,最终搭建起完备的中试规模生产线,主要包括发酵制酶单元、催化反应单元、产品纯化单元等。

其中,分离过程需要通过一系列的化工工艺,诸如萃取、离心、膜过滤、结晶和溶剂回收等单元操作实现反应产物的提取和纯化。" 生物化工的内涵正体现于此,既包括了上游的生物制酶过程,又包括了催化反应和产品分离的化工过程,二者缺一不可。" 许教授说道。

目前,中试生产的产量大概在 1 至 10 公斤,发酵罐体积 300 升,反应釜的容量处于 10 至 100 升的范围。

许建和认为,这样的条件完全可以模拟工厂的大规模生产工艺,从而找出其中存在的工程问题,然后进行系统优化,解决之后再放大,就可使产业化进程进一步加快。

未来生物催化潜力何在?或将是计算生物学与自动化实验室的融合

生物计算由于具有处理庞大数据和自我学习和进化的能力,已经成为许多学科的研究工具。许建和表示,他有理由相信生物计算将为酶在分子水平上的设计贡献独特的力量。

此前,谷歌旗下的 DeepMind 公司基于神经网络和深度学习,研发了能够用于生物医药领域的 AlphaFold2 系统,可以用于从酶的一级序列预测三维结构,并针对酶的定向进化做一些引导性设计,从而缩小进化筛选的目标范围,大幅度减少实验工作量。

图 | 一种潜在的植物抗病蛋白质的三维结构 Q8W3K0(来源:AlphaFold 官网)

现阶段,该程序只能从一级序列预测三维结构,但对于生物化学工程师来说,更关心的显然是三维结构与催化性能之间的关系。

对此许建和表示," 在未来,我们要通过实验产生大数据,然后利用生物计算建立序列与功能的定量关系,这就是新一代生物催化技术的魅力和潜力所在。"

另一方面,自动化仪器和设备的引入将是必不可少的,它可以使数据通量呈指数级增长。同时,基础生物实验的成本,包括引物的合成、基因序列的测定等,将会下降一个数量级。

如此一来,在同样的资金和人力成本的前提下,所产生的数据量将可能提高几个数量级,从而为计算生物学的应用提供大数据基础。

生物合成或将逐渐替代部分化学合成,想象无限,但路途遥远

据 Transparency Market Research 数据,2018 年全球合成生物学市场空间已达到 49.6 亿美元,预计至 2027 年将超过 400 亿美元,市场空间巨大。

与此同时,在化学品合成中,生物合成的比例会提高到一个新的阶段。而且,合成生物学的潜力远不止于此。

随着资本的投入、技术的累积、以及全行业自动化和人工智能技术的普及程度上升至临界点时,在未来,合成生物学将逐渐形成更加完整的产业链,生物制造的产品有望覆盖 30% 甚至一半左右化学产品(特别是各种天然产物和精细化学品)的制造,实现化工产业的生物化和可持续发展,这是大趋势。

不过许建和教授也表示,对于生物制造而言,这既是机遇也是挑战。因为生物系统比化学系统更加复杂和难于预测,其研发周期更长且挑战性更强,我们也需要理性地看待。

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