莊英萍

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2015工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)前沿專(zhuān)刊序言

莊英萍

華東理工大學(xué) 生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237

莊英萍. 2015工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)前沿專(zhuān)刊序言. 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(7): 1011–1014.Zhuang YP. Preface for special issue on industrial bioprocess technique front (2015). Chin J Biotech, 2015, 31(7): 1011–1014.

工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)是支撐我國(guó)生物制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要研究領(lǐng)域之一，是實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)與生命技術(shù)研究成果產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)保障。為促進(jìn)我國(guó)相關(guān)科研工作者與工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)界之間的交流，促進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，秉承學(xué)會(huì)對(duì)科學(xué)研究推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)思想，中國(guó)微生物學(xué)會(huì)生化過(guò)程模型化與控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)先后組織兩屆“工業(yè)生物過(guò)程研討會(huì)”，就工業(yè)生物過(guò)程前沿和關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展學(xué)術(shù)研討，并設(shè)立企業(yè)專(zhuān)場(chǎng)充分凸顯工業(yè)生物過(guò)程研究的產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向性，促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化。會(huì)議受到國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所、企事業(yè)單位的積極參與和投稿，本專(zhuān)刊即是在會(huì)議優(yōu)秀論文基礎(chǔ)上，通過(guò)征集組織出版了“工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)前沿專(zhuān)刊”。本期專(zhuān)刊包括綜述和研究論文兩部分，內(nèi)容主要涉及與工業(yè)生物過(guò)程密切相關(guān)的高效生產(chǎn)菌種構(gòu)建與篩選方法、工業(yè)酶制劑性能優(yōu)化與改造、生物過(guò)程模型化及高效優(yōu)化放大方法等幾個(gè)方面的研究。

工業(yè)生物過(guò)程，酶制劑，菌種構(gòu)建，過(guò)程優(yōu)化與放大

隨著生命科學(xué)與生物技術(shù)的迅速發(fā)展，生物過(guò)程技術(shù)也隨之發(fā)生了前所未有的進(jìn)步，并且從細(xì)胞外過(guò)程操作參數(shù)研究深入到胞內(nèi)生理特性分子機(jī)制研究，特別是近年來(lái)系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)研究的興起，更是為工業(yè)生物過(guò)程提供了前所未有的知識(shí)與技術(shù)挑戰(zhàn)。作為工業(yè)生物技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要支撐，工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)從研究領(lǐng)域拓展到技術(shù)手段升級(jí)等多個(gè)方面正在發(fā)生巨大變化，也取得了一系列重要進(jìn)展。

工業(yè)生物過(guò)程是指利用細(xì)胞生命代謝過(guò)程生產(chǎn)人們所需的各類(lèi)物質(zhì)的過(guò)程，生產(chǎn)的物質(zhì)可涉及醫(yī)藥、食品、化工、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中一個(gè)重要的工業(yè)過(guò)程。研究該過(guò)程中的工程學(xué)規(guī)律即為生物過(guò)程工程，傳統(tǒng)的生物過(guò)程工程內(nèi)容涵蓋過(guò)程在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化和放大技術(shù)、分離提取技術(shù)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等，但隨著近年來(lái)各種生物技術(shù)的進(jìn)步，生物過(guò)程工程的研究領(lǐng)域及研究深度逐漸拓展到包括高效生產(chǎn)菌種構(gòu)建及高通量篩選技術(shù)、工業(yè)酶制劑的理性設(shè)計(jì)與改造技術(shù)、先進(jìn)模型化與過(guò)程放大技術(shù)等。

工業(yè)生物過(guò)程的主體是具有“活的”生命代謝特征的微生物細(xì)胞，其內(nèi)部存在復(fù)雜的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，分別在基因表達(dá)調(diào)控水平、酶動(dòng)力學(xué)調(diào)控水平響應(yīng)外部環(huán)境的變化。而整個(gè)生物過(guò)程中還涉及物質(zhì)跨膜運(yùn)輸水平、反應(yīng)器內(nèi)混合傳遞水平上的各種限制因素的作用。因此對(duì)工業(yè)生物過(guò)程的研究涵蓋了化工、機(jī)械、生物學(xué)、生化反應(yīng)、基因調(diào)控、熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、儀器儀表、檢測(cè)與控制等多學(xué)科內(nèi)容。相應(yīng)的主要科學(xué)問(wèn)題體現(xiàn)在細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)規(guī)律及反應(yīng)器環(huán)境內(nèi)傳質(zhì)混合基本規(guī)律的研究，從而將細(xì)胞生理代謝特性與生物過(guò)程的工程學(xué)研究相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生命過(guò)程全局、系統(tǒng)的高效優(yōu)化與放大。不同學(xué)科的研究者在工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)研究中都將大有可為，并為推動(dòng)工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)的整體進(jìn)步作出巨大貢獻(xiàn)。

我國(guó)在工業(yè)生物技術(shù)上游領(lǐng)域 (細(xì)胞工程、基因工程等) 和世界先進(jìn)水平差距較小，在某些方面甚至處于領(lǐng)先水平，但在工業(yè)生物過(guò)程研究方面與國(guó)外還存在差距，實(shí)驗(yàn)室成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化成功率低、能耗高、放大周期長(zhǎng)。為促進(jìn)我國(guó)生物過(guò)程研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流及推進(jìn)科研向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，中國(guó)微生物學(xué)會(huì)生化過(guò)程模型化與控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)于2012、2014年先后組織了兩屆“工業(yè)生物過(guò)程研討會(huì)”，會(huì)議受到國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所、企事業(yè)單位科研人員的廣泛參與與討論。會(huì)議還設(shè)定特色企業(yè)技術(shù)專(zhuān)場(chǎng)，加強(qiáng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室成果向企業(yè)轉(zhuǎn)化的交流與合作，取得了很好的成效。

為了展示和交流2014年舉辦的“工業(yè)生物過(guò)程研討會(huì)”中的優(yōu)秀論文，并展示與探討國(guó)內(nèi)工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)的相關(guān)前沿研究成果，及其存在的問(wèn)題和解決之道，促進(jìn)本研究領(lǐng)域的更好發(fā)展，特組織出版“工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)前沿專(zhuān)刊”。本期專(zhuān)刊包括綜述和研究論文兩部分，內(nèi)容主要涉及菌種構(gòu)建及篩選、工業(yè)酶的設(shè)計(jì)與改造、生物過(guò)程模型化與過(guò)程優(yōu)化放大等方面。

目前，各種組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步正推動(dòng)著生物過(guò)程技術(shù)的快速發(fā)展，技術(shù)前沿不斷擴(kuò)展，各種新技術(shù)與新方法層出不窮。本期專(zhuān)刊中，方柏山課題組以甲烷單加氧酶為例介紹了生物分子機(jī)器的概念，并詳細(xì)綜述了該生物分子機(jī)器在轉(zhuǎn)錄表達(dá)上的調(diào)控機(jī)制，并對(duì)其研究歷史和分類(lèi)進(jìn)行了綜述。林峻課題組則詳細(xì)綜述了基因編輯技術(shù)TALENs的發(fā)展及研究進(jìn)展，并且比較了該技術(shù)與傳統(tǒng)ZFNs技術(shù)的優(yōu)劣，同時(shí)介紹了最新的CRISPER/Cas技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。這些綜述對(duì)于讀者了解工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)的前沿領(lǐng)域研究的概況和研究方向有較好的參考作用。

高產(chǎn)菌種是生物技術(shù)企業(yè)發(fā)展的生命線(xiàn)，同時(shí)也是推動(dòng)工業(yè)生物技術(shù)整體發(fā)展的根源。工業(yè)生物過(guò)程技術(shù)中非常重要的一點(diǎn)就是高產(chǎn)菌種的改造與構(gòu)建及高通量篩選。王勇課題組利用全基因組網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在大腸桿菌中表達(dá)紅霉素母核6-脫氧紅霉內(nèi)酯，使產(chǎn)量提高將近60%。王欽宏課題組利用重組大腸桿菌表達(dá)鼠李糖脂生物表面活性劑，利用基因拷貝數(shù)與啟動(dòng)子組合調(diào)控使鼠李糖脂產(chǎn)量達(dá)到209 mg/L。鄒祥課題組利用根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的出芽短梗霉及T-DNA突變庫(kù)，結(jié)合高通量篩選技術(shù)高效篩選高產(chǎn)聚蘋(píng)果酸的突變株，產(chǎn)量提高24.5％。許楊課題組利用合成生物學(xué)手段調(diào)控關(guān)鍵限速酶編碼基因表達(dá)，提高大腸桿菌外源MVA代謝途徑的異戊二烯產(chǎn)量，達(dá)到761.1 mg/L。

本專(zhuān)刊中還介紹了用于過(guò)程優(yōu)化與放大的新方法，如牛坤等“微粒添加對(duì)棘白菌素B發(fā)酵過(guò)程的影響”報(bào)道的添加微粒調(diào)控菌體形態(tài)，從而大幅提高棘白菌素B的產(chǎn)量，達(dá)到1.3 g/L水平。最近幾年出現(xiàn)的菌形工程正成為過(guò)程優(yōu)化的一個(gè)新興方向，這篇文章正是一個(gè)代表。李連偉等通過(guò)恒化培養(yǎng)技術(shù)詳細(xì)研究了黑曲霉生長(zhǎng)與糖化酶產(chǎn)量之間的定量關(guān)系，并建立動(dòng)力學(xué)模型表征整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是研究生物過(guò)程一種經(jīng)典的方法，但是如何獲取更加準(zhǔn)確的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)往往不被重視，這篇文章給出的相關(guān)案例可供參考。董淑浩等利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 模擬技術(shù)研究了威蘭膠高粘發(fā)酵體系中6種攪拌槳組合形式形成的流場(chǎng)，預(yù)測(cè)得到最優(yōu)攪拌組合，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)膠水平提高17%。CFD技術(shù)正成為發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與放大的工程方法，并且在工程實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用。

工業(yè)酶制劑正成為工業(yè)生物過(guò)程中非常重要的一個(gè)領(lǐng)域，穩(wěn)定高效的酶制劑產(chǎn)品對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)尤其重要。本專(zhuān)刊中還介紹了關(guān)于酶制劑相關(guān)的一些研究成果。趙雷明等利用定點(diǎn)突變技術(shù)，通過(guò)改變活性中心位點(diǎn)的相關(guān)氨基酸殘基，成功將NADP(H) 依賴(lài)型內(nèi)消旋-2,6-二氨基庚二酸脫氫酶改造成NAD(H) 依賴(lài)型，從而降低工業(yè)生產(chǎn)成本。普鴻麗等則利用蛋白結(jié)構(gòu)與功能的預(yù)測(cè)，通過(guò)定點(diǎn)突變獲得高鍵選擇性的β-葡萄糖醛酸苷酶突變酶，鍵選擇性提高達(dá)34%。除以上研究?jī)?nèi)容之外，樂(lè)建君等將微生物過(guò)程應(yīng)用于采油過(guò)程，大大提升了采油效率，拓展了生物過(guò)程的研究領(lǐng)域。

值得指出，參與本期專(zhuān)刊撰寫(xiě)的專(zhuān)家都是各自領(lǐng)域?qū)W有專(zhuān)長(zhǎng)的著名學(xué)者，他們?cè)诜泵Φ娜粘９ぷ髦胁涣哔n稿，我們?cè)诖吮硎局孕牡?感謝！

本期專(zhuān)刊的順利刊出，也離不開(kāi)編輯部編輯們的全力投入與鼎力支持，在此一并致謝！

(本文責(zé)編 陳宏宇)

Preface for special issue on industrial bioprocess technique front (2015)

Yingping Zhuang

State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Industrial bioprocess is one of the most important research fields supports the promoting of biological manufacturing industry in China, and guarantees the implementation of bioscience and biotechnology research results into the industrial applications. For improving the interconnection between academic researchers and industrial stuffs and pushing research achievement into industrial implementation, bioprocess modelling and control committee of Chinese Society for Microbiology organized two tandem conferences separately in 2012 and 2014 on the topic of “Industrial bioprocess technology”, focusing mainly technique front of industrial bioprocess. A special session on industrial technique applications was hold to stimulate cooperation. The conference receivedmany good submissions from academic and industrial sectors. This special issue is based on selected excellent papers from the submissions, together with free submissions. The special issue consists of reviews and original papers, mainly involving the aspects closely related to the bio-industrial sectors including, i) high yield strain constructing and high throughput screening; ii) optimization and modification of industrial enzymes, and iii) bioprocess modelling and high efficient scale-up method.

industrial bioprocess, enzymes, strain construction, process optimization and scale-up

June 11, 2015

Yingping Zhuang. Tel: +86-21-64251257; Fax: +86-21-64253702; E-mail: ypzhuang@ecust.edu.cn

序言

莊英萍 女，博士，華東理工大學(xué)研究員，博導(dǎo)?，F(xiàn)任國(guó)家生化工程技術(shù)研究中心 (上海) 副主任，“863”生物和醫(yī)藥領(lǐng)域工業(yè)生物技術(shù)主題專(zhuān)家，中國(guó)微生物學(xué)會(huì)第十屆理事會(huì)常務(wù)理事，生化過(guò)程模型化與控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任委員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)生物化工專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員。近年來(lái)，在多尺度發(fā)酵過(guò)程參數(shù)相關(guān)分析理論方法基礎(chǔ)上，又提出了基于細(xì)胞生理特性和反應(yīng)器流場(chǎng)特性相結(jié)合工業(yè)生物過(guò)程優(yōu)化與放大理論與方法，且在多個(gè)工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品中成功應(yīng)用并獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)三項(xiàng)。