我國(guó)工業(yè)生物技術(shù)科研發(fā)展路徑分析

耿紅冉，董 華，陳潔君，董維亮，黃英明

(1.中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展中心，北京 100039; 2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

工業(yè)生物技術(shù)是生物制造的核心技術(shù)，自“十一五”期間國(guó)家科技部(以下簡(jiǎn)稱“科技部”)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(以下簡(jiǎn)稱“863計(jì)劃”)設(shè)置“新一代工業(yè)生物技術(shù)”專題以來(lái)，我國(guó)持續(xù)加大對(duì)工業(yè)生物技術(shù)的科研投入，促進(jìn)技術(shù)革新和能力提升，有力推動(dòng)了我國(guó)生物制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。本文中，筆者簡(jiǎn)要回顧我國(guó)工業(yè)生物技術(shù)科研發(fā)展的歷程，并對(duì)未來(lái)發(fā)展提出展望。

1 “十一五”和“十二五”期間863計(jì)劃對(duì)工業(yè)生物技術(shù)的部署情況

1.1 “十一五”期間

《國(guó)家“十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》將新一代工業(yè)生物技術(shù)列為需要超前部署的前沿技術(shù)研究方向之一[1]?？萍疾坑?006年啟動(dòng)了“新一代工業(yè)生物技術(shù)”專題，下設(shè)探索導(dǎo)向類和目標(biāo)導(dǎo)向類兩類課題。經(jīng)過(guò)2006年至2009年的部署，共設(shè)立探索導(dǎo)向類課題58個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)5 095萬(wàn)元；目標(biāo)導(dǎo)向類課題35個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)9 046萬(wàn)元。探索導(dǎo)向類可按照研究?jī)?nèi)容分為微生物代謝工程技術(shù)研究19個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)1 646萬(wàn)元；現(xiàn)代酶工程技術(shù)研究20個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)1 797萬(wàn)元；生物過(guò)程工程技術(shù)研究19個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)1 652萬(wàn)元。目標(biāo)導(dǎo)向類可按照研究?jī)?nèi)容分為可降解材料和單體生物制造技術(shù)研究16個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)4 464萬(wàn)元；手性化學(xué)品和藥物中間體的生物制造技術(shù)研究7個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)2 064萬(wàn)元；生物催化與轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究5個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)918萬(wàn)元；非糧生物質(zhì)利用技術(shù)研究4個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)746萬(wàn)元；重要氨基酸發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)研究3個(gè)課題，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)854萬(wàn)元。

此外，2006年科技部還啟動(dòng)了“生物基化學(xué)品的生物煉制技術(shù)”“工業(yè)酶的分子改造和工程化技術(shù)”“大宗發(fā)酵產(chǎn)品的先進(jìn)發(fā)酵工藝技術(shù)”3個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目，共設(shè)立課題13個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)9 975萬(wàn)元(表1)。

表1 “十一五”期間863計(jì)劃對(duì)工業(yè)生物技術(shù)的部署情況

“十一五”期間，本著前沿生物技術(shù)研究與重大生物產(chǎn)品開發(fā)相結(jié)合、培育新興生物產(chǎn)業(yè)與支撐傳統(tǒng)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合的原則，通過(guò)“一個(gè)專題和三個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目”的設(shè)立，我國(guó)重點(diǎn)在工業(yè)微生物功能菌株大規(guī)模篩選與改造技術(shù)、生物催化劑定向改造技術(shù)、生物過(guò)程工程技術(shù)方面進(jìn)行了部署，并開展了生物技術(shù)與工程技術(shù)集成應(yīng)用于生物基化學(xué)品、生物材料和傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)和工藝創(chuàng)新，累計(jì)投入國(guó)撥經(jīng)費(fèi)24 116萬(wàn)元。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，使我國(guó)在谷氨酸結(jié)晶提取技術(shù)、脂肪酶工程化技術(shù)、生物乙烯的生物煉制技術(shù)等方面取得了卓有成效的進(jìn)展。

1.2 “十二五”期間

《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》將工業(yè)生物技術(shù)列為需要強(qiáng)化的前沿技術(shù)研究之一[2]。2011年，科技部發(fā)布了《“十二五”現(xiàn)代生物制造科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》[3]，啟動(dòng)了“重大化工產(chǎn)品的先進(jìn)生物制造”重大項(xiàng)目，先后設(shè)立了課題15個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)26 261萬(wàn)元；2012年，啟動(dòng)“生物過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)及裝備開發(fā)”等7個(gè)主題項(xiàng)目，設(shè)立課題40個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)25 285萬(wàn)元；2014年，啟動(dòng)“大宗生物基化學(xué)品的衍生轉(zhuǎn)化”等5個(gè)主題項(xiàng)目，設(shè)立課題32個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)12 743萬(wàn)元；2015年，啟動(dòng)“有機(jī)酸生物制造關(guān)鍵技術(shù)研究”等2個(gè)主題項(xiàng)目，設(shè)立了課題7個(gè)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)6 300萬(wàn)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(guó)際生物制造研究開發(fā)制高點(diǎn)為目標(biāo)，通過(guò)“一個(gè)重大項(xiàng)目和十四個(gè)主題項(xiàng)目”的設(shè)立，我國(guó)重點(diǎn)在化工產(chǎn)品的生物制造、生物過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)及裝備開發(fā)、工業(yè)酶分子改造、工業(yè)微生物基因組育種等方面進(jìn)行了部署，累計(jì)投入國(guó)撥經(jīng)費(fèi)70 589萬(wàn)元。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，突破了一批關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了一系列重大生物基產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(xì)化學(xué)品；2～3種能源產(chǎn)品以及4～5種綠色生物工藝，為我國(guó)生物制造產(chǎn)業(yè)的提升提供了有力的技術(shù)支撐。

表2 “十二五”期間863計(jì)劃對(duì)工業(yè)生物技術(shù)的部署情況

2 國(guó)家科技計(jì)劃對(duì)工業(yè)生物技術(shù)科研投入的趨勢(shì)分析

與“十一五”相比，“十二五”期間863計(jì)劃在工業(yè)生物技術(shù)方面的支持方向、支持強(qiáng)度、支持形式均有明顯的變化。

2.1 研究方向進(jìn)一步擴(kuò)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(guò)程工程、生物催化與轉(zhuǎn)化4類關(guān)鍵技術(shù)，可降解材料和單體、手性化學(xué)品和藥物中間體、重要氨基酸、生物基化學(xué)品、大宗發(fā)酵產(chǎn)品5類產(chǎn)品的生物制造技術(shù)以及廢棄生物質(zhì)資源利用技術(shù)。

“十二五”期間，在延續(xù)“十一五”研究方向的基礎(chǔ)上，新增固體發(fā)酵工藝系統(tǒng)優(yōu)化、糖工程關(guān)鍵技術(shù)與重大產(chǎn)品開發(fā)、木質(zhì)纖維素生物糖化、工業(yè)蛋白質(zhì)高效表達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用、營(yíng)養(yǎng)化學(xué)品生物合成技術(shù)、工業(yè)助劑的綠色制造技術(shù)、生物質(zhì)合成氣的快速氣化與生物轉(zhuǎn)化等方向，初步覆蓋了生物制造的重點(diǎn)產(chǎn)品、工業(yè)生物技術(shù)中下游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 整體經(jīng)費(fèi)強(qiáng)度不斷提高，重點(diǎn)方向經(jīng)費(fèi)增長(zhǎng)明顯

“十二五”期間，863計(jì)劃在工業(yè)生物技術(shù)方面經(jīng)費(fèi)投入有了大幅度提升，由“十一五”期間的24 116萬(wàn)元增加至70 589萬(wàn)元。

在化工產(chǎn)品的生物制造方面，“十一五”期間主要瞄準(zhǔn)可降解材料和單體、手性化學(xué)品和藥物中間體，投入國(guó)撥經(jīng)費(fèi)共計(jì)6 528萬(wàn)元，“十二五”實(shí)施的重大化工產(chǎn)品先進(jìn)生物制造項(xiàng)目所投入經(jīng)費(fèi)則增長(zhǎng)為26 261萬(wàn)元；在工業(yè)微生物菌種改造方面，“十一五”期間投入1 646萬(wàn)元，“十二五”期間增長(zhǎng)為8 282萬(wàn)元；在酶工程方面，“十一五”期間投入1 797萬(wàn)元，“十二五”期間增長(zhǎng)為8 956萬(wàn)元；在生物過(guò)程工程方面，“十一五”期間投入1 652萬(wàn)元，“十二五”期間增長(zhǎng)為4 355萬(wàn)元；在糖工程方面，“十一五”期間投入176萬(wàn)元，“十二五”期間增長(zhǎng)為939萬(wàn)元。

2.3 目標(biāo)導(dǎo)向更加明晰，產(chǎn)研融合更加凸顯

“十二五”期間，863計(jì)劃工業(yè)生物技術(shù)主題不再設(shè)置探索類課題，均以項(xiàng)目形式組織實(shí)施，項(xiàng)目下設(shè)課題，項(xiàng)目的總體目標(biāo)被分解在各課題的考核指標(biāo)中，目標(biāo)導(dǎo)向更加明確。

從課題承擔(dān)單位來(lái)看，“十一五”期間，106個(gè)課題中的14個(gè)由企業(yè)承擔(dān)，占比13.2%；“十二五”期間，94個(gè)課題中的59個(gè)由企業(yè)承擔(dān)，占比62.8%(表3)，其中重大化工產(chǎn)品的先進(jìn)生物制造、大宗生物基化學(xué)品的衍生轉(zhuǎn)化、營(yíng)養(yǎng)化學(xué)品生物合成技術(shù)、非糧生物質(zhì)原料的生物煉制技術(shù)、工業(yè)助劑的綠色制造技術(shù)5個(gè)項(xiàng)目所有課題均由企業(yè)承擔(dān)。由此可見(jiàn)，“十二五”期間，工業(yè)生物技術(shù)主題更強(qiáng)調(diào)企業(yè)的創(chuàng)新主體地位，更希望通過(guò)產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合申報(bào)，來(lái)推動(dòng)企業(yè)的創(chuàng)新能力提升。

表3 “十一五”和“十二五”期間課題承擔(dān)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(xiàng)課題數(shù)占比/%立項(xiàng)課題數(shù)占比/%企業(yè)1413.25962.8高校6662.32021.3科研院所2624.51515.9合計(jì)10610094100

3 未來(lái)我國(guó)工業(yè)生物技術(shù)科研發(fā)展的思考

按照中央財(cái)政科技計(jì)劃(專項(xiàng)、基金等)管理改革方案要求，從“十三五”開始，863計(jì)劃整合到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中組織實(shí)施。截至2019年6月底，“十三五”工業(yè)生物技術(shù)相關(guān)研究?jī)H在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”和“合成生物學(xué)”兩個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)發(fā)布的2018和2019年度指南中進(jìn)行了相應(yīng)部署，前一個(gè)專項(xiàng)部署的相關(guān)研究方向主要圍繞生物質(zhì)能源[4-5]，后一個(gè)專項(xiàng)部署的相關(guān)研究方向主要圍繞工業(yè)微生物的設(shè)計(jì)和改造[6-7]。面對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求和生物技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于我國(guó)工業(yè)生物技術(shù)的未來(lái)發(fā)展路徑，以下方面應(yīng)當(dāng)成為關(guān)注重點(diǎn)。

3.1 聚焦關(guān)鍵核心技術(shù)

工業(yè)微生物菌種、酶、生物過(guò)程工程技術(shù)和裝備是工業(yè)生物技術(shù)的核心，是支撐生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大支柱。“十一五”和“十二五”期間，863計(jì)劃對(duì)這三個(gè)方向進(jìn)行了重點(diǎn)部署，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有明顯短板，部分核心技術(shù)受制于人，已成為影響我國(guó)生物制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。我國(guó)亟須通過(guò)國(guó)家科技計(jì)劃集中優(yōu)勢(shì)科研力量，重點(diǎn)攻關(guān)突破，補(bǔ)齊關(guān)鍵短板，獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一系列核心技術(shù)。

3.2 強(qiáng)調(diào)綠色持續(xù)發(fā)展

當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時(shí)期，綠色發(fā)展已經(jīng)成為五大發(fā)展理念之一，在此背景下，我國(guó)傳統(tǒng)化工、紡織、制藥等行業(yè)面臨的環(huán)保壓力與日俱增。我國(guó)應(yīng)當(dāng)發(fā)揮工業(yè)生物技術(shù)“綠色、循環(huán)、低碳”等優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)工業(yè)生物技術(shù)向化工、能源、新材料、農(nóng)林、輕工、環(huán)保、醫(yī)藥等行業(yè)滲透融合，以原料綠色化、過(guò)程綠色化、產(chǎn)品綠色化為目標(biāo)，構(gòu)建我國(guó)工業(yè)生物技術(shù)體系。

3.3 注重培育未來(lái)產(chǎn)業(yè)

隨著合成生物技術(shù)等前沿生物技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生物技術(shù)的內(nèi)涵和外延也在不斷豐富與擴(kuò)展[8-10]。一方面，合成生物技術(shù)通過(guò)提升微生物菌種和工業(yè)酶的生物催化轉(zhuǎn)化能力，擴(kuò)大工業(yè)生物技術(shù)的產(chǎn)品種類，提高產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，合成生物技術(shù)通過(guò)提升對(duì)一碳化合物、纖維素等原料的利用效率和能力，擴(kuò)大了工業(yè)生物技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和未來(lái)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)工業(yè)生物技術(shù)與合成生物技術(shù)的融合，以合成生物技術(shù)推進(jìn)工業(yè)生物技術(shù)進(jìn)步，以工業(yè)生物技術(shù)主動(dòng)承接合成生物技術(shù)的研究成果，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，培育未來(lái)產(chǎn)業(yè)。

4 總結(jié)

通過(guò)“十一五”和“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃的部署和實(shí)施，我國(guó)已經(jīng)在工業(yè)生物技術(shù)方面取得了技術(shù)革新和能力提升，積累了大量工業(yè)生物技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)了部分重大化工產(chǎn)品生物制造的產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)了生物制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，并且培育了包括中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所、江南大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)等在內(nèi)的一批工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)[11]。當(dāng)前，生物技術(shù)已經(jīng)成為新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的焦點(diǎn)，我國(guó)也將生物技術(shù)擺在科技創(chuàng)新戰(zhàn)略的核心地位，工業(yè)生物技術(shù)在落實(shí)我國(guó)綠色發(fā)展理念的實(shí)踐中，被寄予厚望。未來(lái)，工業(yè)生物技術(shù)將越來(lái)越受到國(guó)家的重視，我國(guó)工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展即將迎來(lái)一個(gè)重要的戰(zhàn)略機(jī)遇期。