中国尼龙打破垄断，背后功臣竟是大肠杆菌

你知道吗？在我们平时穿的衣服中，所谓的锦纶材质，也就是尼龙，是世界上第一种合成纤维。而尼龙不仅可以用于生产化纤，还可以用来制造树脂和工程塑料，是当今世界五大高分子材料之一，广泛应用于军民两用领域。近年来中国在生产高性能尼龙上突飞猛进，源头就在于微生物研究所研发的一套生物制备技术，打破了外国的垄断。今天就给大家讲一下背后的故事。

首先让我们看看最早的尼龙是如何诞生的。在20世纪以前，人们使用天然纤维（如羊毛、棉花、蚕丝等）编制衣物。但天然纤维资源有限，大规模获取难度大，限制了日常生活的大规模消费。随着科技的发展，直到20世纪初，科学家以煤或石油中提取的化学物质为原料，合成出自然界不存在的高分子材料。

美国杜邦公司看到了合成纤维的市场的潜力，聘请卡罗瑟斯开展高分子材料的研究。1933年至1935年，卡罗瑟斯和他的助手们利用戊二胺与癸二酸聚合出性能优异的尼龙510，但由于化学合成法生产的戊二胺原料成本高，产品难纯化，导致其难以进行工业化和商业推广。于是他们退而求其次，开发了性能逊于戊二胺的己二胺，在此基础上又开发了尼龙66生产技术。1939年杜邦公司实现了尼龙66的工业化生产，令其成为全球第一个实现工业化的合成纤维品种，开辟了合成纤维工业的新时代。

尼龙66“像蛛丝一样细，像钢丝一样强，像绢丝一样美”，刚一面世就创下了四天内卖出400万双尼龙丝袜的记录，迅速传遍了全美国，进而风靡全球，尼龙丝袜成为了一个时代的象征。

全球尼龙产品，现在以尼龙6和尼龙66两类大宗产品为主，约占市场份额的90%以上。而尼龙66由己二胺和己二酸聚合而成，其中的关键单体己二胺的前体，就是己二腈。然而，我国己二腈产业的对外依存度极高，短期内国内尚无企业能够生产自主知识产权的己二胺。于是，我国的科学家将目光投向了更高性能的戊二胺，以望替代已二胺。可在以前，很多大型跨国公司也尝试过用戊二胺生产尼龙，但最终都不了了之。为什么用己二胺生产尼龙这么困难？

单从化学上来看，要想生成戊二胺，只需要先将赖氨酸脱去羧基，就可以生成戊二胺，然后再让戊二胺与不同的二元酸成盐聚合，就可以得到尼龙5X。其中戊二胺与己二酸，就可聚合成尼龙56。但到了实际生产中，催化效率、固体废弃物处理、工艺放大、生产成本等各方面上的挑战便接踵而来。为了解决这些问题，中国科学院微生物研究所通过多年科研攻关，突破了多项关键核心技术, 开发了戊二胺和尼龙56生物制造的全套生产技术。让我们一起看看，研究所是怎么做到这些的？

首先，微生物研究所通过基因技术改造了大肠杆菌。大肠杆菌（Escherichia coli）是一种兼性厌氧革兰氏阴性菌，生长较快，代时为17分钟；其基因组信息完备，遗传操作系统成熟(无痕遗传操作、CRISPR等多基因编辑），代谢途径和调控机制研究深入，在基础生物研究以及生物技术应用方面有着其他模式生物无可比拟的优越性。大肠杆菌自身无法利用赖氨酸合成戊二胺，通过一系列基因改造并引入外源基因，让它能生成赖氨酸并脱去羧基——也就是合成戊二胺，然后再进行进一步的合成生物学改造，减少了其他副产物的产出，提高了催化效率，并且加快了大肠杆菌本身合成戊二胺的速度，还弱化了戊二胺对大肠杆菌的生长抑制。这些加到一块，最终构建出了高性能的戊二胺生产菌株。这种菌株的生产力非常强，能大大降低戊二胺的生产成本。但光有生产菌株还不够，研究所还开发了几种专门用于催化过程的简化、戊二胺的高效提取以及纯化的工艺，通过进一步优化和放大，这才于2020年在黑龙江实现了万吨级生产。

靠这套生产技术制造的尼龙56，经外国公司检测，戊二胺纯度达到99.92%，切片的生物基碳含量占48%，获得了第三方科技机构的好评，认为其生产技术达到了国际领先水平。目前，尼龙56已经被推广到了全世界，并且应用在了很多常见的东西里，比如在各种纺织品、服装的面料中，它能让衣服更耐磨、干爽。而其具有的高强度、高耐热性、尺寸稳定性好等优异性能，又让它的身影常出现在汽车耐高温部件、电子连接器等等器件里。除了尼龙56，这套生物技术还能生产出其他尼龙材料，像尼龙510和512等长碳链尼龙，耐高温的尼龙52、5T和54等，这些材料都有广泛的应用场景。可以说，微生物研究所开发的尼龙56生物制造技术，让中国摆脱了对外国的尼龙依赖，形成了具有自主知识产权的技术体系，保障了我国尼龙产业链安全，还促进了赖氨酸产业的发展，为实现双碳战略提供战略性支撑，具有重大意义。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：温廷益

审核：王建明

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