《合成生物学》推荐 | 郑裕国院士：生物制造助推医药化工绿色低碳发展

背景介绍

医药化工是化学工业的重要组成部分，也是推动现代医药产业发展的核心领域之一，是促进国民经济和社会发展的关键支撑。生物制造是一种利用生物组织或生物体（如酶、微生物细胞等）进行物质转化与加工，大规模生产各种人类所需产品的先进工业模式。相比于传统制造方式，生物制造在生产原料和加工工艺方面开辟了新的途径，促进了医药化工产品制造与生物技术的深度融合，推动了医药化工向绿色低碳、可持续发展模式的转型。本次报告中，郑裕国院士系统讲述了医药化工产业的重要性及现状，并以生物制造技术赋能γ-氨基丁酸和维生素B₅生产工艺革新和生物医药产业发展为案例，详细介绍了生物制造如何推动重大药物生产工艺源头减排。最后，郑裕国院士就生物制造助推医药化工产业发展提出展望：要以生物制造为手段，通过全链条布局绿色低碳技术的研发，实现从工艺源头减排，从而显著降低能耗、原料消耗、空气污染、水污染和生产成本，助力实现碳达峰、碳中和目标，为中国式现代化贡献科技力量。

中国工程院院士、浙江工业大学学术委员会主任郑裕国教授应邀在2024全国绿碳科学会议上作主旨报告

背景介绍

医药产业是国民经济的重要组成部分，直接关系国计民生。现如今，我国心脑血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病等慢性病发病率日益增长，对医药的需求日渐增加，重大疾病治疗、健康生活和社会经济发展等重大需求推动了医药产业的快速发展，医药产业已经成为国民经济中发展最快的行业之一。目前，我国药品需求量世界第一。此外，医药产业具有生命关联性、品种多样性、高质量性、高度专业性、公共福利性等性质，生产方式、质量控制手段、自动化生产与管理水平等直接影响医药产业发展，因此医药产业的发展对医药化工提出了新的更高要求。

社会发展的重大需求推动医药产业发展

医药产品的制造与生产，既拉动上游原料、材料市场的发展，也推动下游医疗、诊断等医疗服务行业的发展，横跨“第一产业”到“第三产业”。郑院士讲述了医药化工的重要领域，包括医药生物化工、医药有机化工、医药材料化工、医药过程装备与控制、医药分析与检验检测等，并强调应围绕重点领域，聚焦技术开发，实施工程管理，促进成果转化，实现创新发展。

基于我国药品制造过程中资源利用率低、杂质多、三废排放大等现实问题，郑院士提出“双碳”背景下我国医药化工绿色低碳发展之路应秉持“闭合循环、绿色低碳、可持续发展”的理念；并表示，医药化工绿色发展中面临的各种问题，归根到底还是技术问题，而生物制造作为新兴生产工艺技术，可以推动医药生产从工艺源头减排，并提升绿色化水平。

医药化工是医药产业发展的基础

医药生物化工是以生物制造技术为物质转化的主要手段，融合工程学、化学、物理学等理论和方法，实现医药产品生产的工业。“生物制造+医药化工”可以从工艺源头有效实现节能、减排和降耗，解决当前面临的资源、环境、健康问题，实现产业技术升级。合成生物学、蛋白质设计、生物催化与转化、生物过程工程等技术的涌现，推动了医药生物化工的发展，助力实现药品的低碳循环、绿色清洁生产。郑裕国院士介绍了两个生物制造赋能重要药物生产技术发明和工艺革新的案例。

一是生物催化生产γ-氨基丁酸类药物。γ-氨基丁酸是一种治疗神经病理性疼痛的药物，它是天然的非蛋白原氨基酸，市场需求量大。但是天然的γ-氨基丁酸脂溶性不强，难以穿透血脑屏障作用于大脑。为此，天然药物化学家们开发了一系列亲脂性的γ-氨基丁酸药物，如普瑞巴林、菲尼布特、巴氯芬、加巴喷丁等。郑院士团队开发了脂肪酶法合成、腈水解酶法合成等生物制造技术，替代了传统的化学合成方法，成功生产了亲脂性γ-氨基丁酸，实现了γ-氨基丁酸类药物的绿色、高效生物制造，经济效益显著。

二是产维生素微生物细胞工厂构建。维生素B₅（D-泛酸）是辅酶A（CoA）和酰基载体蛋白（ACP）合成的前体，参与蛋白质、脂质等合成，在维持身体正常生理功能中起重要作用。维生素B₅从最初的全化学合成向化学-酶法、多酶法合成转变，有效地降低了“三废”排放，提高了产品收率，提升了生产过程的环境友好性。随着合成生物学的不断发展，化学品微生物细胞工厂技术可以推动维生素B₅实现从头合成的生产路线，以进一步降低生产成本，过程更加绿色低碳。对此，郑院士团队通过路径重构及强化、双路径合成模块的代谢通量平衡调控等手段，成功构建了新一代高效合成维生素B₅的微生物细胞工厂，有效解决了生物合成维生素B₅过程路径复杂、元件同底盘适配性差等问题，并实现了大肠杆菌高效、低耗化生产维生素B₅，从实验室走向产业化。同时，基于大肠杆菌实践经验，进一步将维生素B₅生物制造底盘拓展至谷氨酸棒状杆菌、枯草芽孢杆菌及益生菌EcN等微生物细胞，显著提高了产品质量，减少了制造过程中产生的污染物，并大幅降低了能耗，推动了我国维生素生物制造及相关产业链协同发展。

生物制造如何助力医药化工绿色发展

发展清洁生产、绿色低碳技术和循环经济是我国的战略需求，从基础研究、关键核心技术突破到综合示范全链条布局医药化工绿色低碳技术攻关，将为我国实现碳达峰、碳中和目标提供有力支撑。基于绿色原料和绿色低碳制造的生物制造技术将切实推进医药产品生产技术革新，生物制造的优点可匹配医药化工的过程、途径和质量需求，通过生物制造技术，可减少工业过程能耗15%-80%、原料消耗35%-75%、空气污染50%-90%、水污染33%-80%、降低生产成本9%-90%。生物制造前景广阔，能为解决能源、气候与环境问题并在医药、农业、食品、化工、材料、能源等领域实现绿色低碳可持续发展提供强有力的科技支撑。随着相关技术的发展，生物制造还将会在更多维度革新生产生活方式，进一步推动医药化工绿色低碳发展，为中国式现代化贡献科技力量。

对医药化工绿色发展提出展望

专家介绍

郑裕国，中国工程院院士，生物化工、生物制药专家。现任浙江工业大学学术委员会主任、手性生物制造国家地方联合工程研究中心主任、生物转化与生物净化教育部工程研究中心主任、浙江省生物有机合成全省重点实验室主任、浙江工业大学华东合成生物学产业技术研究院院长等，兼任浙江省生物工程学会理事长、中国化工学会医药化工专业委员会主任委员和生物化工专业委员会副主任委员、教育部生物技术和生物工程类专业教学指导委员会副主任委员、教育部科技委先进制造学部委员等。长期从事生物制造工程科技创新，建立了以生物工程技术为核心，融合有机合成、化学工程原理和方法的生物有机合成技术新体系。发明系列生物催化剂筛选、改造和工业应用新技术以及合成生物学微生物细胞工厂构建新方法，实现治疗心脑血管疾病、重症感染、神经系统疾病、糖尿病等重大药物以及氨基酸、维生素、功能性糖和糖醇等的工业化。建立工业化生产线30多条，授权发明专利300多件，发表SCI收录论文300多篇，主编出版教材、专著5部。获国家科技进步一等奖1项（排名第三）、国家技术发明二等奖2项（排名第一）、国家科技进步二等奖1项（排名第一）、省部级科学技术一等奖10项（排名第一6项）、中国专利优秀奖3项（排名第一）、浙江省专利金奖2项（排名第一）、国家级教学成果二等奖1项（排名第一）、浙江省教学成果特等奖1项（排名第一），并获何梁何利基金科学与技术进步奖、全国优秀教师、全国优秀科技工作者、浙江省功勋教师等奖励与荣誉。