把玉米变成衣服究竟有多难？从实验室到产品，我们用了整整八年 | 温廷益

百科 2024-10-29 09:00 北京

本文转载自公众号：“格致论道讲坛”

（ID：SELFtalks）

作者：格致论道

美国杜邦、德国巴斯夫、日本东丽、韩国希杰这些公司经过了很多年的努力，都还没有做成功，那难道我们就能做成功吗？

温廷益 · 中国科学院微生物研究所研究员

格致论道第112期｜2024年6月1日北京

大家好，我是温廷益，来自中国科学院微生物研究所。大家都吃过玉米，但是我说可以把玉米穿在身上，你相信不相信？如果你相信，就请听一段从玉米到服装的故事。

这是1980年时的我。我在天津市长大，从小性格比较内向，不爱说话，好独处，每天在我们家的胡同里用粉笔头在地上画各种立体几何的模型，画各种化合物的分子结构。我们的邻居都说，这个孩子走火入魔了，是不是有点“神经”了，以后离他远一点。

右边是南开大学新生物楼，1982年我考上南开大学微生物学专业，又开始对发酵罐感兴趣。大家知道发酵吗？我们吃的醋、酱油，包括喝的酒，都是由微生物发酵酿制的。所以当时我就有一个梦想：能不能用微生物发酵制造各种化学品呢？

现在大家都知道，我们这个行业不叫发酵工程了，有了一个时髦的名字，叫合成生物学。

我2005年回国。因为我是南开大学毕业的，我的导师也希望我回到母校，南开大学生命科学学院就给了我一个教授岗位。我就拿着录用通知，准备去做一名教授了。

高福院士

但有次我在北京做一个学术报告，被时任中国科学院微生物研究所所长高福院士知道了。他就过来就跟我聊了聊，当时我觉得只是随便聊聊。但他觉得我没有来微生物所的意思后，就用激将法“激”了我一下。

他说，你如果到微生物所来做氨基酸领域的研究工作，如果3年做不到科学院的前三，5年做不到全国的前五，8年做不到全国的前三，对不起，你在科学院就待不下去，会失业的。

我这人可能比较吃这套吧，他这一说，我非得试试我行不行。然后我“背叛”了我的导师，转身来到了中国科学院微生物研究所，我导师为此好几年不理我。

发酵出优质的国产氨基酸

说到这儿，大家知道什么是氨基酸吗？氨基酸就是蛋白质的原材料，产业上主要是通过微生物发酵的方法来进行生产的。其中哪个氨基酸生产量最大呢？就是谷氨酸，我们吃的味精就是谷氨酸钠。

那排在第二个的氨基酸是哪个呢？是赖氨酸。大家可能对赖氨酸不太熟悉，但它是9种人和动物必需氨基酸之一，非常重要。

而且赖氨酸在常规的谷物饲料中含量比较少，所以是一种极为重要的饲料添加剂。大家吃的猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉，之所以价格在国内还能保持那么低，赖氨酸功不可没。而且添加了赖氨酸之后，这些猪和鸡不但长得快，营养和肉质也会变得更好。

我们国家是一个氨基酸大国，全球60%左右的氨基酸是在中国生产的，但是我们却不是一个生产强国。主要原因是我们的微生物发酵菌种生产性能较差、生产成本较高，特别是我们的菌种专利数量还非常地少。所以我来微生物所第一件事，就要做出有自主知识产权的优良的生产菌种。

我2005年11月到了微生物所。我一报到，就去看了所里从事工业微生物的实验室，当时还是在用传统的诱变育种。

诱变育种是什么概念？就是用紫外线以及像硫酸二乙酯（DES）等化学物质诱导菌株突变。诱变完有大量的工作，有像右图那么多的平板都需要去筛选。那你筛选到的突变是不是你要的？不知道。这就像小朋友开盲盒，开到的东西是我要的吗？未必，但是投入的工作量很大。

而当时，国外已经能通过合成生物技术进行基因编辑。它是在DNA水平上去做工作，相当于私人定制，我想改哪里就改哪里，我想怎么改就怎么改。于是我回国的第一件事，就是利用在国外学到的基因编辑技术，创建一个工业微生物个性化菌种改造与创新的平台。

我先把细菌的所有的代谢途径的基因都输到计算机里，做成一个网络模型；然后通过模型预测出来应该改造哪些基因；然后再进行合成生物学的基因编辑；随后再进行发酵罐的验证、各种组学的验证；然后一圈一圈这样循环。就是我们合成生物学的8个字：设计、构建、测试、学习。经过多轮的这种循环之后，我们菌种的产量就上来了，副产物也在减少。

2007年时，宁夏一家企业找到我，希望改造赖氨酸的生产菌种。当时这家企业在国内氨基酸行业里排到中等水平，但是它的生产菌种的产量太低了，转化率也太低。他们希望能够降低成本，增加企业的利润。

于是我们就用刚才提到的这套平台，用计算机模拟一步一步地改，一共给它改了17个基因，最后无论是糖酸转化率、还是产量，都达到了国际先进水平。

一举两得的好事，为什么别人都不做？

可是这个时候又出现了一个问题。我2005年回国时，赖氨酸的价格是1吨3万多元，等到了几年之后，赖氨酸的产能过剩了。我们国家2020年赖氨酸产能达到了300万吨，现在已经达到了350万吨。这就使得利润率急速下降，每吨从3万多到1万多，最低降到了5400元，企业没有利润了。

有一天，我在办公室就琢磨怎么帮企业把产能过剩的事解决。突然我发现，就跟大家现在看见的图一样，左边是赖氨酸的分子结构，它叫2，6-二氨基己酸。如果我把带红圈的这个1位的羧基去掉之后，就成了右边的1，5-戊二胺，这不就是我们做尼龙的单体原料？尼龙那有多大的市场！

就那么一步反应，就能做那么大的事，这件事轮得上我们来做吗？于是我就叫我的助手梁勇博士去查。他发现，90年前也就是1934年，美国杜邦公司的卡罗瑟斯博士发明尼龙的时候，就是用5个碳的戊二胺和10个碳的癸二酸聚合成性能非常好的尼龙510。它跟蚕丝一样，穿在身上凉凉的。

但是，化学合成法制备戊二胺用的原料成本太高，纯化也太难做。于是他们到了1937年，退而求其次，开发了性能略差、但化工合成成本更低的己二胺，也就说用6个碳取代了5个碳，开发了尼龙66技术。

这是一张尼龙丝袜的广告。它当年的描述是“像蛛丝一样细、像钢丝一样强、像绢丝一样美”。这个尼龙丝袜杜邦公司卖了4天，竟然销售了400多万双，后来更是风靡全球，成了一个时代的象征。

你看，二战时的尼龙丝袜都能带来这么大的收益，那现在尼龙市场得有多大？2021年全球尼龙的市场规模超过1000万吨，产值1.5万亿-1.8万亿元，但90%以上是尼龙6和尼龙66。而要做尼龙66，用的己二胺的前体己二腈已经被国外企业垄断，这就导致我们国家在尼龙66行业80%以上的利润都被外企拿走了。

一边是赖氨酸产能过剩，一边是尼龙被“卡脖子”。如果我们能够用赖氨酸合成戊二胺，那不就把赖氨酸的产能过剩和尼龙卡“卡脖子”两个问题同时解决了？

但梁博士查回来的结果又告诉我，美国杜邦、德国巴斯夫、日本东丽、韩国希杰这些公司，他们都想走通这条路线，经过了很多年的努力，就因为工艺放大、废弃物处理、成本等各种原因都没有做成功。那难道我们就能做成功吗？

大家知道我的性格，谁一激将我就上了。企业老总说，你试试。我说，试试咱就试试！于是我们就选择用大肠杆菌做生产菌株。

大肠杆菌的优点是17分钟就能传一代，基因信息完备，遗传操作系统成熟，代谢途径和调控机制研究得也非常深入。但最大的一个问题就是，大肠杆菌自身不能利用赖氨酸合成戊二胺。

既然我从大肠杆菌出发，要做的第一件事就要让大肠杆菌能够合成戊二胺，就是把外源基因引进到大肠杆菌，通过基因改造，使大肠杆菌能够合成戊二胺。

第二个目标就是让大肠杆菌高产戊二胺，还让它的副产物越来越少，这件事我们也做到了。

同时还出现了第三件事，戊二胺对大肠杆菌有细胞毒性。也就是说戊二胺到了一定浓度，大肠杆菌就不生长了，这就麻烦了。于是我们又在大肠杆菌的细胞膜上加了一个转运泵，就跟我们用的水泵似的，只要一产生戊二胺，这个转运泵就能把戊二胺从细胞内转到细胞外。

最后经过这些努力，我们的产量已经达到了全球领先的水平，摩尔转化率接近100%，底物赖氨酸几乎百分之百被转化成了戊二胺，也就说我们合成戊二胺的这步成功了。

在实验室能够合成制造出戊二胺后，接下来还要把它纯化出来。于是我们又在实验室建立了不同的发酵工艺和纯化工艺，得到了2个9（99%）以上纯度的戊二胺。

从实验室到产品的艰难跋涉

实验室里的成功让我们非常兴奋，信誓旦旦地跑到企业去做中试了。可是，令我们想不到的事出现了。

大家看，我们实验室里从5升的旋转蒸发仪做到20升的旋转蒸发仪。20升的旋转蒸发仪对应的是什么呢？对应的是50升发酵罐产生的发酵液。但是我们中试千吨级的时候，发酵液要用到1.5立方米的发酵罐，也就是说要比原来多产生300倍-600倍的发酵液。

旋转蒸发仪下边是油，温度要达到120℃把戊二胺减压蒸馏出来。在这种情况下，我们至少要做到直径5米以上的球体，用它去蒸发。而这么大的旋转蒸发仪表面的蒸发量太大，能耗太高，这在产业化上是行不通的。

左：提取工艺走不通右：大量设备报废

于是，我们又和企业设计了不同的中试设备。但是大家看，我们最后做出来的东西有的像排骨，质量非常差，这种纯度根本没有办法去做我们以后要做的尼龙和服装。

这个时候，大量的设备报废，企业的几千万已经打了水漂，这对我、对企业来说压力都非常大。怎么办？坚持不坚持？不坚持，没法交代；坚持呢，做不出来又怎么交代？我就得离开科学院，刚刚说了8年嘛。所以已经开弓没有回头箭了，必须坚持下来。

这个期间非常苦，包括我、包括刘树文博士，我们每天都干到夜里两三点，因为研发中心晚上10点关门，我们出来之后要翻墙头到职工宿舍去睡觉。刘树文博士更是最长一次连续做了45天，为此还推迟了婚期，工业化实在是非常艰难的一件事。

不管怎么样，经过3年努力，我们做成了，把戊二胺的中试成本从刚开始的9万多元降到了2万元左右。大家看右边红线框出的这些设备，都是我们重新研制的。

然后又经过2年的努力，在2020年8月，我们在黑龙江大庆市建成了全球第一条万吨级的戊二胺生产线。这个生产线和我们中试又有很大的区别。它用的是精馏塔，成本就会更低。

我们同时又用戊二胺聚合成了尼龙56，做了切片，做成长纤维、短纤维。它的黏度也达到了2.5左右，分子量达到2.5万左右，达到了纺丝的要求，就可以用来做衣服了。

左：吸湿性强右：易染色

刚才我说戊二胺比己二胺好，那尼龙56自然要比现在尼龙66好。它的优点很多，我举几个方面。它吸湿性强、易染色、难燃、玻璃化温度低。

小朋友们冬天脱衣服时是不是滋啦啦地“电闪雷鸣”？为什么？静电太强了。但是你要穿上我们尼龙56做的服装，由于它的吸湿性非常强，不会带这么强的静电，晚上脱衣服就不会把你吓着了。

耐磨性强

它还非常耐磨，特别柔顺、丝滑，夏天穿着也非常干爽。现在网上就有我们尼龙56做的瑜珈服、内衣、防晒服，性能明显地超越了尼龙66。

同时，我们的合作企业还和国内外一线品牌开展合作，估计未来大家穿的鞋的鞋面都会是我们尼龙56的。而且他们在国外卖的价格能卖到每吨3.2万元，因为我们尼龙56里的戊二胺来自生物，国外现在特别认生物基的产品，在国内卖的价格反而还没有那么高。目前，这家企业也从原来的中型企业，成为了国内氨基酸产业前三名的巨头。

合成生物学还有更广阔的天地

我们做了一个什么工作？打通了从玉米到服装的全流程。

我们拿玉米做成淀粉糖、再做成葡萄糖、再做成赖氨酸盐酸盐、再做成戊二胺；接着做成尼龙56晶体、尼龙56切片、尼龙56长纤和短纤；最后做成布料、做成各种服装。这样，就实现了我们把玉米穿在身上的目标。

我们现在正在以戊二胺做单体，做尼龙5X系列，包括尼龙510、尼龙512。

我们未来要做的东西包括海下的油气管道、绳索、降落伞、火箭的整流罩，包括人工血管管钳的线，都可以拿我们的材料做。所以我们国家将走出一条生物基尼龙5X的路，这和国外石油基的尼龙6X的路是完全不同的。

而未来的合成生物学有可能将30%-60%的石油基化学品都通过微生物制造来实现。什么概念呢？我们现在习以为常的煤化工产品、石油化工产品，以后很大部分都会通过玉米或者秸秆来做原料进行生产。

2005年夏天，也就是我来微生物所之前4个月，时任中国科学院院长路甬祥院士给微生物所写了9个字：“微生物，高科技，大产业”。这也是我近20年来追求的目标。

我儿时的梦想就是生物制造，做一个产品。现在我已经有三四个产品在祖国大地的企业上得到了应用。我们最终目标是要实现以塑料取代钢材，实现更环保、更低碳。

在座的同学们，如果你们有志于以后做合成生物学、生物制造方面的研究工作，可以加入到我们团队里，加入到中国科学院微生物研究所，一同让我们中国的微生物站到国际科学的最前端。

谢谢大家！

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。本文出品自“格致论道讲坛”公众号(SELFtalks)，转载请注明公众号出处，原创文章未经授权不得转载，违者将追究法律责任。

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