在全球塑料污染治理与碳中和目标的双重背景下，上海蓝晶微生物科技有限公司研发团队近期联合复旦大学，在国际学术期刊Metabolic Engineering同期发表两项技术创新成果，并联合牛津大学在Resources, Conservation & Recycling发布全球首个基于真实生产数据的聚羟基脂肪酸酯（PHA）全生命周期碳足迹研究。
这一系列工作通过自主开发的「生物混动」Biohybrid 技术体系，在 PHA 工业化生产的单位产量、单位成本控制和碳足迹控制方面达到文献报道最高水平。
油基碳源路线的理论突破与工业化验证
传统 PHA 生产依赖葡萄糖等糖类碳源，其理论质量转化率上限为 57%，对应碳源成本下限为 825 美元/吨。蓝晶研发团队通过原子经济性分析发现，以长链脂肪酸为主的油脂碳源因其 75% 的碳原子占比且代谢无碳损失，理论质量转化率可达 130%，碳源成本下限降低至 590 美元/吨。基于此，研究团队选择具有油脂代谢优势的罗氏真养菌（
Cupriavidus necatorH16） 为工业菌株，在补料分批发酵中实现 175 克/升的 PHA 单位产量与 87% 的碳源转化率，验证了油基路线的经济性优势。
PHA合成的糖基碳源路线和油基碳源路线对比
Biohybrid 技术体系实现工业级创纪录高产
针对油基碳源生产 PHA，蓝晶微生物独创了「生物混动」Biohybrid 系列技术，采用代谢网络理性设计和功能基因组学高通量筛选等多条互补技术路线，系统改造 PHA 工业生产底盘菌株，实现了「有机碳源+无机碳源」的能源利用。
Biohybrid 1.0：CO₂固定与还原力循环技术
针对油基代谢过程中 NAD(P)H/NAD(P)+ 失衡导致的还原力过剩问题，研究团队通过激活菌株内沉默的卡尔文循环（CBB循环），在回收过剩还原力、改善细胞代谢效率的同时，增加 CO₂ 无机碳源、提高发酵 PHA 产量，最终在15 吨发酵规模中实现 260 g/L的 PHA 单位产量（较初始菌株提升20%）。该技术被命名为Biohybrid 1.0，相关成果以：Harnessing CO₂ fixation and reducing power recycling for enhanced polyhydroxyalkanoates industrial bioproduction 为题，近期发表于Metabolic Engineering期刊。
在这项研究中，蓝晶微生物团队基于罗氏真养菌全基因组代谢网络模型开展流量平衡和资源平衡分析，发现植物油 β-氧化产生的 NADH 通量超出细胞正常代谢承载能力，对此，研究团队通过激活菌株内沉默的卡尔文循环（CBB循环），实现了在代谢植物油的异养环境下自养固定 CO₂，同时消耗过量的还原力。同位素标记的代谢组学分析显示，卡尔文循环激活菌株中 PHA 前体乙酰辅酶A多达 10% 碳原子来自于无机碳 CO₂，同时以 NAD(P)H/NAD(P)+ 比值为代表的细胞氧化还原平衡得到了显著改善。
考虑到卡尔文循环固碳需要大量消耗细胞内还原力 NADH 和能量货币 ATP，蓝晶研发团队进一步猜想，卡尔文循环激活存在最优的激活强度。为此，团队基于代谢网络模型进行了预测，同时利用定量启动子元件库构建了卡尔文循环基因表达强度梯度调控的菌株文库，通过小试发酵验证发现，该系列菌株的 PHA 产量范围从降低 36% 到提高 25%，证实了卡尔文循环最优激活强度的猜想。
针对该最优菌株，研发团队进行了多批次 200L 中试和 15 吨量产测试，相比初始菌株，卡尔文循环激活菌株在不同放大规模中均显著提升了油脂消耗量、生物量积累、PHA 单位产量和碳源转化率；此外，发酵尾气质谱检测显示，卡尔文循环激活菌株表现出了更低的 O₂ 消耗量、CO₂ 排放量和呼吸熵，共同表明细胞代谢效率得到显著提升。
Biohybrid 2.0：代谢调控网络解析与工业级菌株构建
针对罗氏真养菌天然代谢网络限制工业发酵效率的问题，蓝晶微生物团队通过功能基因组学与合成生物学技术，系统优化了菌株的油脂利用能力，最终在 150 吨量产规模实现 PHA 单位产量 264g/L、植物油碳源转化率 100% 的创纪录高产，并验证了该技术对餐厨废油原料的适配性。经多批次工艺优化，进一步将单位产量提升至 300g/L以上，碳源转化率超过 100%，达到文献报道最高水平。该技术被命名为Biohybrid2.0，相关成果以：Enhancing Oil Feedstock Utilization for High-Yield Low-Carbon Polyhydroxyalkanoates Industrial Bioproduction 为题，近期发表于Metabolic Engineering期刊。
为提升罗氏真养菌的油基碳源利用效率，蓝晶研发团队通过构建 50 万克隆规模的 Tn-seq 突变库，在植物油适应性进化筛选中发现一个未知双组分系统的突变显著富集。基因敲除实验表明，该双组分系统的缺失可解除对脂肪酸β-氧化途径的抑制，以提供更多的 PHA 前体乙酰辅酶 A，从而在小试补料分批发酵实验中表现出了显著增强的植物油利用效率和 PHA 产量。转录组学分析显示，改造菌株在磷限制等环境应激响应能力下降。以上结果证实了天然代谢调控网络限制工业场景下油基碳源利用效率的猜想，并通过高通量筛选定位了该复杂调控网络的关键限制节点。
在 200L 中试阶段，薄层色谱分析发现发酵中后期积累未代谢的甘油三酯，导致油渣堆积异常。蓝晶微生物团队通过引入脂酶基因过表达改造，成功将甘油三酯残留量降低，从而通过 15 吨试产验证，并在 150 吨量产体系中实现稳定运行，单位产量达 264g/L，碳源转化率 100%。该菌株与 Biohybrid 1.0 技术整合后形成 Biohybrid 2.0 技术，在多批次 150 吨大规模量产水平实现了 PHA 单位产量和植物油碳源转化率分别超过 300g/L 和 100%，技术水平进一步刷新行业纪录。
全生命周期碳足迹（LCA）研究：从理论模型到工业实践
蓝晶微生物联合牛津大学宗致远博士，发表了全球首个基于真实生产数据的PHA全生命周期碳足迹研究。通过建立覆盖"摇篮到坟墓"的 LCA 通用模型，研究发现采用 Biohybrid 2.0 技术与餐厨废油原料，可将 PHA 碳足迹降至 2.01 kg-CO₂e/kg-Polymer，较传统石化塑料降低 64%，为生物基材料的低碳化提供了量化依据。相关成果发表以：Polyhydroxyalkanoates (PHA) production in a circular CO₂ economy: it’s role in mitigating global CO₂ emissions 为题，近期发表于
Resources, Conservation and Recycling期刊。
在这项研究中，团队突破既往生物基材料碳足迹研究的理想化假设局限（如全绿电供应、忽略后处理阶段），基于蓝晶 PHA 量产的真实数据，建立了一个从摇篮到坟墓的全生命周期通用模型。结果显示：使用原始菌株与食品级棕榈油时，PHA 碳足迹为 5.77 kg-CO₂e/kg-Polymer，与传统石化塑料（5.52 kg-CO₂e/kg）基本持平，其中原料生产（占48%）与发酵能耗（占32%）为主要排放源。
针对能耗碳足迹优化，采用 Biohybrid 2.0 技术的迭代菌株和工艺，可以使得批次发酵的 PHA 产量提升 50% 以上，大幅降低 PHA 的单吨能耗和单吨碳排放。针对原料碳足迹优化，蓝晶微生物团队验证了餐厨废油的工业化可行性：原始菌株利用餐厨废油时 PHA 产量不足 100克/升，而 Biohybrid 2.0 菌株在 200L 中试体系中实现 194g/L 产量与 86% 质量转化率。基于以上数据，餐厨废油路线 LCA 碳足迹较食品级植物油再降 28%，达到 2.01 kg-CO₂e/kg-Polymer。
Biohybrid 2.0技术结合废油原料大幅降低PHA碳足迹
技术意义与产业化进展
这系列研究成果建立了合成生物学理性设计与工业放大的方法论范式：Biohybrid 1.0 首次实现代谢网络动态调控与 CO₂ 固定技术的规模化整合，Biohybrid 2.0 则通过功能基因组学揭示了工业菌株代谢调控的限速节点。蓝晶微生物江苏盐城生产基地已实现 Biohybrid 2.0 技术的工程化应用，其万吨级产线数据表明，PHA 生产成本较 2019 年文献报道值下降 41%，单位产量较同类工业菌株提高 83%，为生物降解材料的大规模替代提供了关键技术支撑。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ymben.2025.04.009
https://doi.org/10.1016/j.ymben.2025.04.001
https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2025.108303
