近日世博shibo登录入口，谈判到全球替代卵白、生物多糖原料等必需品的供需殷切，西安交通大膏火强解析和团队建议了专揽嗜甲烷菌转动甲烷气体从而合成生物大分子的新范式。

图 | 费强（来源：费强）

在开发这项新时期的时候，他们发现存两个要道科学时期制约了该项时期的发展：一是菌种的细胞代谢调控机制尚不澄清；二是标的居品的定向合成战略不健全。

针对上述难点，他们围绕选育自然菌株和改造格式菌株这两个时期阶梯，针对嗜甲烷菌细胞工场，开发了不错高效合成细胞卵白质和多糖团聚物的高密度发酵时期。

其中，菌体干重向上 14 克/升，卵白质时空出产遵循接近 20 克/升/天，卵白质含量向上 70%，生物多糖含量向上 30%，上述生物固碳智力和居品转动遵循等辩论均处于国际先进水平。

而跟着本次时期的优化和校正，上述出产数据有望在短时辰内进一步提高 25%。

在措置出产瓶颈的同期，他们长远领略了细胞工场中碳氮代谢流的协同适配机制。

通过引入基于氮-氧养分的可控性勾引战略，强化了标的产物的东说念主工定向合成，显赫擢升了卵白质和生物多糖的出产遵循，终澄清从一碳分子到生物大分子的一步转动。

（来源：Green Chemistry）

总的来说，本次开发的甲烷卵白制备时期为我国食粮安全和“耕地红线”的保险提供了切实可行的决策。

费强示意，本次产出的甲烷卵白粗卵白质含量向上 70%，富含亮氨酸、苏氨酸、赖氨酸和苯丙氨酸等必需氨基酸，沿途 18 种氨基酸占卵白质比例向上 85%，为单纯卵白质类型。

甲烷卵白结构比例接近鱼粉，远优于豆粕，可用于平替现存的卵白饲料。

以工业化出产 1000 万吨甲烷卵白（卵白含量 70%）计，畸形于 2300 万吨入口大豆（卵白含量 30%）当量。

与栽种大豆比较，出产甲烷卵白简略简陋向上 500 倍的耕地和 3000 倍的淡水资源，不仅无需施用多数化肥和农药，还不受季节和征象等因素影响。

此外，通过本次开发的高密度发酵时期，可终了定向联产胞内多糖和胞外多糖等生物大分子组分。

经检测，该胞内多糖结构和支链淀粉高度雷同，具有广泛的生物相容性和降解性，可用作医药薄膜和水凝胶。胞外多糖则可动作医好意思居品的褂讪剂、乳化剂和伤口敷料等。

由此可见，专揽页岩气、煤层气或沼气制备生物大分子，不但不错擢升甲烷的碳素附加值，还能终了高效的生物储能和汇碳，为新质出产力发展提供了全新战略。

“向微生物要卵白”

据先容，动作第二大温室气体，甲烷的 20 年周期温室效应是二氧化碳的 80 余倍。甲烷气体来源芜俚，除了东说念主们熟知的自然气和页岩气资源，煤层气和沼气亦然主要的甲烷气源。

2015 年，好意思国凭借先进的页岩气开采时期，终澄清从自然气入口国调度为自然气纯出洋口。

我国动作天下页岩气已探明储量第一的国度，2020 年页岩气开采量位居天下第二，而跟着国度发展更动委和国度动力局纠合发布《“十四五”当代动力体系贪图》，预示着我国的页岩气产量和开发力度有望终了新的打破。

页岩气中甲烷含量向上 95%，而动作低密度、高热能气体，页岩气的高值开发和高效储存，也成为我国页岩气专揽时期发展的焦点。

此外，因为受限沼气盈利格式差，沼气工程难以本质，从而导致农林有机废碳资源专揽不及。

当今，甲烷主要用于撤消产热电，专揽姿色较为单一、附加值较低。况兼，甲烷中碳素在撤消历程中沿途转动为二氧化碳，变成碳排放和碳资源亏空，碳原子经济性很低。

跟着“双碳”标的的建议，我国十分意思甲烷的减排及专揽时期的开发。一碳生物制造时期在终了甲烷高效固定同期，不错制备多种功能性生物基居品。

嗜甲烷菌是一类特等的环境微生物，简略专揽甲烷动作独一碳源滋长。因此，甲烷生物转动时期可在常温常压下自觉进行，且有糟塌副产物和二氧化碳排放较少。

另据悉，豆粕是最热切的繁衍业饲用卵白来源，而我国大豆原料长久多数依赖入口，对外依存度向上 80%，这已成为我国农业的最大短板之一。

在面前日益严峻且复杂多变的国际步地下，大豆供应步地的扼制乐不雅，严重危及着国度发展和经济安全。

微生物卵白的生物制造，已成为措置卵白资源紧缺的主要门道之一，而我国计划部门也屡次建议“向微生物要卵白”的需求。

当今，欧盟也曾批准微生物卵白质用于饲料添加剂，好意思国 Calysta 和丹麦 Unibio 等科技公司也入部属手研披发大出产时期，并接踵取得了可不雅的进展。

然而，全球主流的微生物卵白中枢出产时期和出产菌种仍被泰西国企业所掌捏，蜿蜒制约了我国的自主时期发展。

菌种：生物制造领域的“芯片”

几年前，泰西国度的顶尖高校也曾在甲烷生物专揽方面集合了多年的接洽收尾和可贵教育，而国内接洽一丝，亟需得到打破。

动作西安交通大学生弃世工学术带头东说念主，费强长久围绕生物制造原料的开发与高效专揽开展计划前沿科技攻关。

针对甲烷气体专揽姿色单一、居品附加值低的问题，2017 年费强携带课题构成员，开发了以甲烷为原料的一碳生物转动时期。

谈判到全球东说念主口增长和东说念主们生流水平方益提高，而传统的动植物卵白产能也曾达到上限，异日将出现卵白供不应求的场合，因此他们礼聘细胞卵白质动作主要居品之一来开展课题假想。

在笃定好课题以后，他们围绕生物制造的中枢要素（微生物菌种和高密度发酵时期）开展研发。

菌种是生物制造领域的“芯片”，其很猛进程上决定了产能和居品性量，而我国在工业菌株研发和储藏方面实力较弱，仍处于追逐海外先进水平的阶段。

莫得自主常识产权的菌种，很难形成中枢竞争力，日后容易在要道时刻被“卡脖子”。

2017 年在陕西省重心研发辩论神志的复古下，费强屡次携带课题构成员前去陕西各种湿地环境网罗样本。

在经过上百次的菌种选育和温情，最终在秦岭山下水稻田和牛背梁等地样品中赢得了十余株嗜甲烷菌种。

其具有滋长速度快、抗逆性强等上风性状，并简略自然合成优良卵白质、活性多糖、自然产物等高附加值居品，其中部分居品的出产体式赢得国度专利发明并完成了收尾转动。

2019 年，费强动作神志主干，得到了国度重心研发辩论“合成生物学”重心专项复古，借助生物合成等前沿时期长远挖掘了微生物体内的要道功能基因和代谢调控机制，完善了遗传改造器具和东说念主工细胞构建体式。

通过对要道机制机理的全面探究妥协析，他们胜仗开发了一整套以嗜甲烷菌细胞工场为中心的甲烷生物制造平台时期，终澄清专揽基因工程菌生物合成包括缜密化学品、生物材料、药物中间体等高值居品。

在长久的累积后，2021 年费强动作神志认真东说念主和首席科学家赢得了国度重心研发辩论“绿色生物制造”重心专项的复古。

团队成员通过完成数千批摇瓶实验，重新搭建了多种培养体系，考证了气源组分、培养基要素及浓度对菌种的影响，终澄清甲烷和沼气的高效生物转动专揽。

在昔时的 3 年中，课题组历经了上百批次的发酵实验，胜仗开发了针对嗜甲烷菌的高密度发酵工艺和战略。

时期，他们完成了从 0.3L 到 30L 的生物反应系统攻坚，终澄清实验室级别的 100 倍放大，最终创建了针对不同标的产物的嗜甲烷菌高密度发酵工艺。

值得一提的是，自然他们在本次论文中说起的发酵责任所占篇幅很少，但背后结巴着几十批“不睬想”的发酵实验教学他们回归教育。

最终，他们不仅赢得了最优工艺，还系统性回归了嗜甲烷菌卵白和多糖的合成机制，初度建议了基于养分调控战略勾引生物大分子合成的新战略。

2023 年，他们又与大型沼气出产平台合营，探索了 100L 生物反应系统的相连高密度发酵工艺，初步考证了该工艺放大的可靠性，为终了甲烷卵白的产业化出产奠定了坚实的基础。

致力确保甲烷生物制造全套工艺和开采的自主产权

事实上，在菌株筛选和工艺优化时期，他们遭遇了好多坚苦，课题一度停滞不前，学生们的信心和积极性屡次大幅受挫，人人的心态也常常逶迤升沉。

由于阑珊适配气体碳源的高通量选育系统，嗜甲烷菌筛选历程耗时用功，往往需要准备多数的耗尽品。

自然环境中嗜甲烷菌常与其他微生物协同滋长，彼此之间存在较强的互作依赖关系，阔别赢得单株嗜甲烷菌极为坚苦。

费强印象最深的是，有别称硕士接洽生历时一年好扼制易筛选到了可能富含类胡萝卜素的嗜甲烷菌，但可能因为储藏时染菌，经过二十轮筛分照旧没能赢得单一菌株，临了只得被动放弃纯化，转而以混菌体系进行接洽。

不仅如斯，嗜甲烷菌的发酵工艺优化亦然好事多磨。甲烷是气态碳源，且融化度极低，气液传质速度是嗜甲烷菌滋长的主要狂妄因素。

发酵罐体系与摇瓶体系的气液传质速度收支太大，导致他们在摇瓶体系摸索发酵条目时坚苦重重，况兼遵循低下。

一运行，他们沿用大肠杆菌等格式菌株发酵优化接洽，主要对培养基组分浓度、温度和酸碱度等条目进行单因素和反应面优化，但奏效甚微。别称博士接洽生在接办该部单干作后，曾有近一年半未取得任何内容性进展。

另一方面，费强觉得恰是嗜甲烷菌接洽特有的挑战性，驱动他们团队不休翻新和对峙作念原创性接洽。

本次接洽中，他们遭遇的一些问题很难在其他微生物的计划接洽中找到参考措置决策。这倒逼他们饮水思源，长远挖掘嗜甲烷菌独到的代谢调控机制。

最典型的案例是，在格式菌株中常用的分批补料发酵不仅未能提高嗜甲烷菌细胞密度，反而导致卵白产率下落。

开头他们百想不得其解，借助转录组学技巧他们发现该工艺后期细胞处于养分失衡现象而滋长停滞，碳流被用于合成胞外多糖。

这一发现使他们转向开发相连发酵工艺提高卵白出产遵循，并教学他们运行想考是否可能存在某种未知机制，从而限度嗜甲烷菌合成卵白和多糖。

最终，磋论说文以《嗜甲烷菌生物合成可食用居品的可控性勾引新战略》（A novel nutritional induction strategy flexibly switching the biosynthesis of food-like products from methane by a methanotrophic bacterium）为题发在 Green Chemistry[1]。

博士接洽生高子熹是第一作家，费强解析担任第一单元通信作家。

图 | 磋论说文（来源：Green Chemistry）

由于这项独创性责任关于替代卵白和生物多糖功能的开发具有要害兴趣。鉴于此，本次论文也被 Green Chemistry 邀请动作封页论文发表。

然而，课题组但愿不单是是发展一个“实验室时期”，况兼相配柔软时期的产业化落地，但愿这个时期简略真确解析其价值。

当今，他们也曾与有着丰富发酵工程化教育的公司伸开合营，鼓励时期的工程化放大。

同期，也与页岩气资源丰富的所在政府和产业潦倒游企业开展了卓有成效的责任，为产业化储备了丰富的资源。

而动作我国首个以甲烷为原料开发嗜甲烷菌生物制造时期的科研团队，后续他们将不绝围绕嗜甲烷菌的物资代谢和能量代谢进行精确耦合调控。

通过强化细胞内碳-氮代谢的互作关系，终了特定氨基酸的定向合成，从分子水平上擢升甲烷生物转动遵循和标的居品的出产遵循。

鉴于生物合成多糖在食物、医疗、环境、材料等领域具有芜俚的阛阓空间，他们也将针对甲烷多糖在医好意思原料和农用菌肥方面的应用，进一步开展理化和生物活性的功效实验。

为了合乎工业化出产，他们将当先聚焦开发具有较高气液传质速度的新式生物反应系统，以适配专揽不同甲烷气源进行嗜甲烷菌高密度发酵和标的居品出产工艺，为确保甲烷生物制造全套出产工艺和开采具有自主常识产权。

不久之后，他们将凭证不同甲烷气源进行全工业条目下的相连化中试出产考证，选址包括页岩气基地、畜禽繁衍场和自然气尾矿等，从而展现甲烷卵白或多糖的规模化出产偏激碳减排后劲。

参考贵寓：

1.Gao, Z., Guo, S., Chen, Y., Chen, H., Fu, R., Song, Q., ... & Fei, Q. (2024). A novel nutritional induction strategy flexibly switching biosynthesis of food-like products from methane by a methanotrophic bacterium.Green Chemistry.

运营/排版：何晨龙

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