生物技术走向工厂车间 - 彭博社

有时候，推动科学进步的唯一方法是在桌面上建立一个造纸厂。这就是Diversa Corp.（DVSA）的研究人员在他们位于圣地亚哥的实验室中测试定制设计的蛋白质所做的。

这些环保分子有一天可能会取代造纸行业用来将树木转化为新闻纸、卫生纸、文具和其他基本产品的有毒化学品。最终，Diversa的首席执行官Jay M. Short希望这些蛋白质能帮助生成另一种纸张：数百万美元。“生物技术在制造业的应用将迅速推进，”他预测。“这将改变行业。”

在过去的30年里，生物技术公司围绕着生产一些全球畅销药物的活细胞罐建立了一个400亿美元的行业。Diversa和其他公司正在押注生物技术可以为传统行业如造纸、纺织和石化行业带来类似的魔力。关键工具将是新型酶——加速细胞内化学反应的蛋白质催化剂。在未来，无数定制的变种可能会被整合到许多制造过程中，使传统化学剂更高效——或者在某些情况下完全取而代之。

定向进化

化学家们几十年来一直在宣扬酶的福音，但工业制造商对其接受的速度缓慢。全球每年仅消费20亿美元的此类分子——而且它们主要用于孤立的过程，如石洗牛仔裤、提高洗涤剂的清洁能力和制造维生素B2。许多其他应用因用户不愿意花费数百万美元改变生产线以适应那些承诺仅能节省几个百分点化学品和废物处理成本的昂贵酶而遭遇失败。“是的，酶在环境上是可取的。但它们也必须在经济上是可取的，”环境保护局研究与开发助理管理员Paul Gilman说。

生物学家们正在积极响应这一号召。通过采用许多用于发现和制造新药的相同技术，他们正在开发比第一代更便宜、更高效且更易于部署的酶过程。对于发明者和制造行业来说，回报可能是显著的：麦肯锡公司估计，创造的总价值——在效率提升、酶销售和通过工业生物技术制造的产品所产生的利润方面——到2010年可能会翻倍，达到每年120亿美元。

几家公司希望主导市场。Diversa公司在7月15日开始销售一种用于漂白纸张的定制酶。该公司从俄罗斯温泉附近的土壤样本中提取了这种酶，然后对其进行了工程改造，使其能够在多种温度和碱性水平下工作。Diversa最近推出了另一种酶，用于在染色前清洗织物，这使得成品纺织品的颜色更加鲜艳。但其他初创公司也在开发类似的产品。而酶巨头诺维信和基因科国际公司（GCOR ）也在积极准备。

完善酶方法只是这个日益壮大的竞争对手群体面临的挑战之一。参与者还必须赢得传统制造商的信任，许多制造商仍然坚持使用已有100年或更久的工艺。如果华盛顿提供税收减免，可能会鼓励更多的制造商采用新技术，但目前没有这样的政策可见。“为了生物经济的发展，美国政府必须给予这些制造商改变的激励，”基因科的首席执行官让-雅克·比奈梅说。

早期的酶大多失败，因为它们是钝器。这些分子是为了它们在细胞中自然执行的功能而被选择的——但复制自然并不足够好，酶制造商意识到。因此，包括Diversa在内的许多人现在专注于从头设计这些蛋白质，以符合制造商所需的确切条件和效率。一些研究人员只是微调现有的酶，而另一些则尝试一种称为定向进化的激进方法。

本质上，他们正在创造全新的微生物，产生超级酶。利用高速筛选技术，研究人员混合和匹配来自不同生物的DNA，寻找恰到好处的催化特性组合。然后，他们将每种新微生物置于不同的温度、酸度和其他条件下。最终目标是：创造能够大量生产设计酶的生物体，这些酶可以直接投入现有的制造过程中，而无需公司彻底改造其生产线。

设计酶可能是将小众市场转变为热门机会的关键。例如，Novozymes一直在努力改善Resinase，这是一种减少木材副产品的酶，这些副产品会堵塞新闻纸制造商的机器。这种酶自1990年代初以来一直在使用，但去年Novozymes重新设计了这种蛋白质，使其在比原版更高的水温下工作。“每天在数千加仑水上升降温度需要大量能量，对一些纸厂来说成本太高，”Novozymes的客户经理Bernie Yemc说。这种变化可能会震动一个沉寂的市场：如今不到10%的造纸厂使用酶。

一些复杂的制造过程将需要多种设计酶。这就是杜邦（DD）科学家在发明Sorona时意识到的，这是一种柔软、抗静电的聚合物，杜邦将其作为聚酯和尼龙的替代品进行市场推广。为了节省成本并减少毒素，杜邦决定用玉米而不是石油来制造Sorona——但首先需要一种新的生产工艺。杜邦科学家与酶制造商Genencor合作，将来自两种不同微生物的六个基因移植到一种微生物中。它产生四种不同的酶，这些酶共同将经济实惠的玉米来源的葡萄糖转化为丙二醇，这是Sorona的关键成分。

冷静的安慰

杜邦的挑战并没有就此结束。研究人员还必须调整该生物体的DNA，以便它将大部分能量用于制造丙二醇，而不是自我复制。“我们为此付出了七年的心血，”杜邦科学家斯科特·尼科尔斯说。回报是：在5月26日，杜邦宣布将建设其第一个商业生产Sorona的工厂，这将使公司能够从2006年开始大规模生产这种材料。“没有生物技术，这在经济上是不可行的，”尼科尔斯说。

事实上，许多生物基产品的商业可行性尚不明确。Cargill Dow LLC使用酶促工艺将玉米转化为塑料替代品。问题是，这种材料在高温下会萎缩。Cargill的玉米制杯在2002年盐湖城冬季奥运会上使用，但它们只能盛冷饮，Cargill Dow的首席营销官丹尼斯·麦格鲁承认。

这样的风险并没有让Potlatch公司（PCH ）感到气馁，这是一家位于华盛顿州斯波坎的造纸厂。它在两年前开始使用一种酶进行漂白，现在每年在化学成本上节省了10%。因此，Potlatch正在考虑进一步的合作，以帮助它在生产上节省更多。“我们要抬起潜望镜，四处看看，看看谁在那儿，”工厂技术助理汤姆·哈姆斯说。他很可能会在地平线上看到Diversa和许多其他公司在招手。

作者：阿琳·温特劳布，来自圣地亚哥