华东理工团队突破血红素生物制造技术，产量创纪录
华东理工团队突破血红素生物制造技术，产量创纪录
近日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室张立新/谭高翼团队在国际顶级期刊《Nature Biotechnology》发表突破性研究成果，通过创新的生物制造技术，实现了血红素及卟啉化合物的高效生产。这一突破不仅为相关产业带来了新的发展机遇，也标志着我国在生物制造领域达到了国际领先水平。
研究背景与挑战
卟啉化合物，被誉为“生命色素”，是连接无机碳到有机碳的重要节点。它在自然界中广泛存在，如叶绿素中的卟啉镁负责光合作用，血红素中的卟啉铁则在生物催化和氧气运输中发挥关键作用。通过不同的侧链修饰和金属离子替代，可以产生多种具有重要应用价值的卟啉化合物，包括用于光动力治疗的原卟啉IX和具有抗菌活性的粪卟啉III等。
然而，传统的卟啉生产方法面临着诸多挑战。化学合成由于卟啉结构的复杂性，导致生产成本居高不下；而从动物血液或植物组织中提取的方法则存在生物安全风险，且在某些国家已被禁止。这些因素使得一些卟啉化合物的价格异常昂贵，例如血红素的国际市场售价高达每吨500-600万元，某些卟啉中间体甚至达到每毫克千元以上。
核心技术创新
针对这些挑战，研究团队创新性地选择了光合细菌Rhodobacter sphaeroides作为底盘微生物，构建高效的细胞工厂。他们首先利用CRISPRi技术进行关键基因筛选，并通过调控双组分系统prrAB的磷酸化水平，优化代谢途径。在5L反应器中，目标卟啉中间体CPIII的产量达到了创纪录的16.5 g/L。
更值得一提的是，研究团队开发了基于CRISPR/Cas12a的高通量酶筛选平台，成功获得了高效的酶催化元件。通过酶促转化，他们不仅实现了CPIII到血红素的高效转化，还合成了多种金属卟啉化合物。在中试规模的200L反应器中，CPIII的产量同样表现出色，且产物纯度超过95%，回收率接近90%。
产业化前景与市场价值
技术经济分析表明，该技术在大规模生产中具有显著的成本优势。在5L反应器中，通过酶催化放大合成的血红素产量达到10.8 g/L，锌卟啉产量更是高达21.3 g/L，均为目前报道的最高水平。这些成果不仅为血红素和其他重要卟啉化合物的规模化生产提供了全新路线，更有望彻底改变整个卟啉制造工业的格局。
结语
这一突破性研究展示了我国在生物制造领域的强大实力，不仅为解决传统生产方法的局限性提供了创新方案，更为相关产业的可持续发展开辟了新路径。随着进一步的产业化推进，这项技术有望为医药、食品、饲料等多个领域带来深远影响，同时也将为全球生物制造产业注入新的活力。