我國工業生物技術科研發展路徑分析

耿紅冉，董 華，陳潔君，董維亮，黃英明

(1.中國生物技術發展中心，北京 100039; 2.南京工業大學 生物與制藥工程學院,江蘇 南京 211800)

工業生物技術是生物制造的核心技術，自“十一五”期間國家科技部(以下簡稱“科技部”)在國家高技術研究發展計劃(以下簡稱“863計劃”)設置“新一代工業生物技術”專題以來，我國持續加大對工業生物技術的科研投入，促進技術革新和能力提升，有力推動了我國生物制造產業的健康發展。本文中，筆者簡要回顧我國工業生物技術科研發展的歷程，并對未來發展提出展望。

1 “十一五”和“十二五”期間863計劃對工業生物技術的部署情況

1.1 “十一五”期間

《國家“十一五”科學技術發展規劃》將新一代工業生物技術列為需要超前部署的前沿技術研究方向之一[1]。科技部于2006年啟動了“新一代工業生物技術”專題，下設探索導向類和目標導向類兩類課題。經過2006年至2009年的部署，共設立探索導向類課題58個，國撥經費5 095萬元；目標導向類課題35個，國撥經費9 046萬元。探索導向類可按照研究內容分為微生物代謝工程技術研究19個課題，國撥經費1 646萬元；現代酶工程技術研究20個課題，國撥經費1 797萬元；生物過程工程技術研究19個課題，國撥經費1 652萬元。目標導向類可按照研究內容分為可降解材料和單體生物制造技術研究16個課題，國撥經費4 464萬元；手性化學品和藥物中間體的生物制造技術研究7個課題，國撥經費2 064萬元；生物催化與轉化關鍵技術研究5個課題，國撥經費918萬元；非糧生物質利用技術研究4個課題，國撥經費746萬元；重要氨基酸發酵關鍵技術研究3個課題，國撥經費854萬元。

此外，2006年科技部還啟動了“生物基化學品的生物煉制技術”“工業酶的分子改造和工程化技術”“大宗發酵產品的先進發酵工藝技術”3個重點項目，共設立課題13個，國撥經費9 975萬元(表1)。

表1 “十一五”期間863計劃對工業生物技術的部署情況

“十一五”期間，本著前沿生物技術研究與重大生物產品開發相結合、培育新興生物產業與支撐傳統生物產業發展相結合的原則，通過“一個專題和三個重點項目”的設立，我國重點在工業微生物功能菌株大規模篩選與改造技術、生物催化劑定向改造技術、生物過程工程技術方面進行了部署，并開展了生物技術與工程技術集成應用于生物基化學品、生物材料和傳統發酵產品生產的技術和工藝創新，累計投入國撥經費24 116萬元。通過項目實施，使我國在谷氨酸結晶提取技術、脂肪酶工程化技術、生物乙烯的生物煉制技術等方面取得了卓有成效的進展。

1.2 “十二五”期間

《國家“十二五”科學和技術發展規劃》將工業生物技術列為需要強化的前沿技術研究之一[2]。2011年，科技部發布了《“十二五”現代生物制造科技發展專項規劃》[3]，啟動了“重大化工產品的先進生物制造”重大項目，先后設立了課題15個，國撥經費26 261萬元；2012年，啟動“生物過程關鍵技術及裝備開發”等7個主題項目，設立課題40個，國撥經費25 285萬元；2014年，啟動“大宗生物基化學品的衍生轉化”等5個主題項目，設立課題32個，國撥經費12 743萬元；2015年，啟動“有機酸生物制造關鍵技術研究”等2個主題項目，設立了課題7個，國撥經費6 300萬元(表2)。

“十二五”期間，以提高生物制造科技的核心能力，搶占國際生物制造研究開發制高點為目標，通過“一個重大項目和十四個主題項目”的設立，我國重點在化工產品的生物制造、生物過程關鍵技術及裝備開發、工業酶分子改造、工業微生物基因組育種等方面進行了部署，累計投入國撥經費70 589萬元。通過項目實施，突破了一批關鍵技術，開發了一系列重大生物基產品，并實現產業化，包括聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)等4～5種生物材料；7～9種C2～C4化工原料；14～15種手性化合物、功能糖、非天然氨基酸等精細化學品；2～3種能源產品以及4～5種綠色生物工藝，為我國生物制造產業的提升提供了有力的技術支撐。

表2 “十二五”期間863計劃對工業生物技術的部署情況

2 國家科技計劃對工業生物技術科研投入的趨勢分析

與“十一五”相比，“十二五”期間863計劃在工業生物技術方面的支持方向、支持強度、支持形式均有明顯的變化。

2.1 研究方向進一步擴大，研究鏈條不斷完善

“十一五”期間，研究方向主要包括微生物代謝工程、酶工程、生物過程工程、生物催化與轉化4類關鍵技術，可降解材料和單體、手性化學品和藥物中間體、重要氨基酸、生物基化學品、大宗發酵產品5類產品的生物制造技術以及廢棄生物質資源利用技術。

“十二五”期間，在延續“十一五”研究方向的基礎上，新增固體發酵工藝系統優化、糖工程關鍵技術與重大產品開發、木質纖維素生物糖化、工業蛋白質高效表達系統的構建與應用、營養化學品生物合成技術、工業助劑的綠色制造技術、生物質合成氣的快速氣化與生物轉化等方向，初步覆蓋了生物制造的重點產品、工業生物技術中下游的關鍵環節。

2.2 整體經費強度不斷提高，重點方向經費增長明顯

“十二五”期間，863計劃在工業生物技術方面經費投入有了大幅度提升，由“十一五”期間的24 116萬元增加至70 589萬元。

在化工產品的生物制造方面，“十一五”期間主要瞄準可降解材料和單體、手性化學品和藥物中間體，投入國撥經費共計6 528萬元，“十二五”實施的重大化工產品先進生物制造項目所投入經費則增長為26 261萬元；在工業微生物菌種改造方面，“十一五”期間投入1 646萬元，“十二五”期間增長為8 282萬元；在酶工程方面，“十一五”期間投入1 797萬元，“十二五”期間增長為8 956萬元；在生物過程工程方面，“十一五”期間投入1 652萬元，“十二五”期間增長為4 355萬元；在糖工程方面，“十一五”期間投入176萬元，“十二五”期間增長為939萬元。

2.3 目標導向更加明晰，產研融合更加凸顯

“十二五”期間，863計劃工業生物技術主題不再設置探索類課題，均以項目形式組織實施，項目下設課題，項目的總體目標被分解在各課題的考核指標中，目標導向更加明確。

從課題承擔單位來看，“十一五”期間，106個課題中的14個由企業承擔，占比13.2%；“十二五”期間，94個課題中的59個由企業承擔，占比62.8%(表3)，其中重大化工產品的先進生物制造、大宗生物基化學品的衍生轉化、營養化學品生物合成技術、非糧生物質原料的生物煉制技術、工業助劑的綠色制造技術5個項目所有課題均由企業承擔。由此可見，“十二五”期間，工業生物技術主題更強調企業的創新主體地位，更希望通過產學研團隊的聯合申報，來推動企業的創新能力提升。

表3 “十一五”和“十二五”期間課題承擔單位類型占比

Table 3Proportion of enterprise,university and research institute funded by 863 Program during the period of the 11th and 12th five-year plan

“十一五”期間“十二五”期間立項課題數占比/%立項課題數占比/%企業1413.25962.8高校6662.32021.3科研院所2624.51515.9合計10610094100

3 未來我國工業生物技術科研發展的思考

按照中央財政科技計劃(專項、基金等)管理改革方案要求，從“十三五”開始，863計劃整合到國家重點研發計劃中組織實施。截至2019年6月底，“十三五”工業生物技術相關研究僅在國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”和“合成生物學”兩個重點專項發布的2018和2019年度指南中進行了相應部署，前一個專項部署的相關研究方向主要圍繞生物質能源[4-5]，后一個專項部署的相關研究方向主要圍繞工業微生物的設計和改造[6-7]。面對國民經濟發展的重大需求和生物技術的快速發展，對于我國工業生物技術的未來發展路徑，以下方面應當成為關注重點。

3.1 聚焦關鍵核心技術

工業微生物菌種、酶、生物過程工程技術和裝備是工業生物技術的核心，是支撐生物制造產業發展的三大支柱。“十一五”和“十二五”期間，863計劃對這三個方向進行了重點部署，但與發達國家相比仍有明顯短板，部分核心技術受制于人，已成為影響我國生物制造產業健康發展的重大挑戰。我國亟須通過國家科技計劃集中優勢科研力量，重點攻關突破，補齊關鍵短板，獲得具有自主知識產權的一系列核心技術。

3.2 強調綠色持續發展

當前，我國社會經濟發展正處于新舊動能轉化的關鍵時期，綠色發展已經成為五大發展理念之一，在此背景下，我國傳統化工、紡織、制藥等行業面臨的環保壓力與日俱增。我國應當發揮工業生物技術“綠色、循環、低碳”等優勢，推動工業生物技術向化工、能源、新材料、農林、輕工、環保、醫藥等行業滲透融合，以原料綠色化、過程綠色化、產品綠色化為目標，構建我國工業生物技術體系。

3.3 注重培育未來產業

隨著合成生物技術等前沿生物技術的發展，工業生物技術的內涵和外延也在不斷豐富與擴展[8-10]。一方面，合成生物技術通過提升微生物菌種和工業酶的生物催化轉化能力，擴大工業生物技術的產品種類，提高產品質量；另一方面，合成生物技術通過提升對一碳化合物、纖維素等原料的利用效率和能力，擴大了工業生物技術的應用場景和未來產業規模。因此，應當加強工業生物技術與合成生物技術的融合，以合成生物技術推進工業生物技術進步，以工業生物技術主動承接合成生物技術的研究成果，促進產業化，培育未來產業。

4 總結

通過“十一五”和“十二五”國家科技計劃的部署和實施，我國已經在工業生物技術方面取得了技術革新和能力提升，積累了大量工業生物技術成果，實現了部分重大化工產品生物制造的產業化，推動了生物制造產業的健康發展，并且培育了包括中國科學院天津工業生物技術研究所、江南大學、南京工業大學、華東理工大學等在內的一批工業生物技術領域優勢團隊[11]。當前，生物技術已經成為新一輪的科技革命和產業變革的焦點，我國也將生物技術擺在科技創新戰略的核心地位，工業生物技術在落實我國綠色發展理念的實踐中，被寄予厚望。未來，工業生物技術將越來越受到國家的重視，我國工業生物技術的發展即將迎來一個重要的戰略機遇期。