你知道嗎？在我們平時穿的衣服中，所謂的錦綸材質(zhì)，也就是尼龍，是世界上第一種合成纖維。而尼龍不僅可以用于生產(chǎn)化纖，還可以用來制造樹脂和工程塑料，是當(dāng)今世界五大高分子材料之一，廣泛應(yīng)用于軍民兩用領(lǐng)域。近年來中國在生產(chǎn)高性能尼龍上突飛猛進，源頭就在于微生物研究所研發(fā)的一套生物制備技術(shù)，打破了外國的壟斷。今天就給大家講一下背后的故事。

首先讓我們看看最早的尼龍是如何誕生的。在20世紀(jì)以前，人們使用天然纖維（如羊毛、棉花、蠶絲等）編制衣物。但天然纖維資源有限，大規(guī)模獲取難度大，限制了日常生活的大規(guī)模消費。隨著科技的發(fā)展，直到20世紀(jì)初，科學(xué)家以煤或石油中提取的化學(xué)物質(zhì)為原料，合成出自然界不存在的高分子材料。

美國杜邦公司看到了合成纖維的市場的潛力，聘請卡羅瑟斯開展高分子材料的研究。1933年至1935年，卡羅瑟斯和他的助手們利用戊二胺與癸二酸聚合出性能優(yōu)異的尼龍510，但由于化學(xué)合成法生產(chǎn)的戊二胺原料成本高，產(chǎn)品難純化，導(dǎo)致其難以進行工業(yè)化和商業(yè)推廣。于是他們退而求其次，開發(fā)了性能遜于戊二胺的己二胺，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了尼龍66生產(chǎn)技術(shù)。1939年杜邦公司實現(xiàn)了尼龍66的工業(yè)化生產(chǎn)，令其成為全球第一個實現(xiàn)工業(yè)化的合成纖維品種，開辟了合成纖維工業(yè)的新時代。

尼龍66“像蛛絲一樣細(xì)，像鋼絲一樣強，像絹絲一樣美”，剛一面世就創(chuàng)下了四天內(nèi)賣出400萬雙尼龍絲襪的記錄，迅速傳遍了全美國，進而風(fēng)靡全球，尼龍絲襪成為了一個時代的象征。

全球尼龍產(chǎn)品，現(xiàn)在以尼龍6和尼龍66兩類大宗產(chǎn)品為主，約占市場份額的90%以上。而尼龍66由己二胺和己二酸聚合而成，其中的關(guān)鍵單體己二胺的前體，就是己二腈。然而，我國己二腈產(chǎn)業(yè)的對外依存度極高，短期內(nèi)國內(nèi)尚無企業(yè)能夠生產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的己二胺。于是，我國的科學(xué)家將目光投向了更高性能的戊二胺，以望替代已二胺?？稍谝郧?，很多大型跨國公司也嘗試過用戊二胺生產(chǎn)尼龍，但最終都不了了之。為什么用己二胺生產(chǎn)尼龍這么困難？

單從化學(xué)上來看，要想生成戊二胺，只需要先將賴氨酸脫去羧基，就可以生成戊二胺，然后再讓戊二胺與不同的二元酸成鹽聚合，就可以得到尼龍5X。其中戊二胺與己二酸，就可聚合成尼龍56。但到了實際生產(chǎn)中，催化效率、固體廢棄物處理、工藝放大、生產(chǎn)成本等各方面上的挑戰(zhàn)便接踵而來。為了解決這些問題，中國科學(xué)院微生物研究所通過多年科研攻關(guān)，突破了多項關(guān)鍵核心技術(shù), 開發(fā)了戊二胺和尼龍56生物制造的全套生產(chǎn)技術(shù)。讓我們一起看看，研究所是怎么做到這些的？

首先，微生物研究所通過基因技術(shù)改造了大腸桿菌。大腸桿菌（Escherichia coli）是一種兼性厭氧革蘭氏陰性菌，生長較快，代時為17分鐘；其基因組信息完備，遺傳操作系統(tǒng)成熟(無痕遺傳操作、CRISPR等多基因編輯），代謝途徑和調(diào)控機制研究深入，在基礎(chǔ)生物研究以及生物技術(shù)應(yīng)用方面有著其他模式生物無可比擬的優(yōu)越性。大腸桿菌自身無法利用賴氨酸合成戊二胺，通過一系列基因改造并引入外源基因，讓它能生成賴氨酸并脫去羧基——也就是合成戊二胺，然后再進行進一步的合成生物學(xué)改造，減少了其他副產(chǎn)物的產(chǎn)出，提高了催化效率，并且加快了大腸桿菌本身合成戊二胺的速度，還弱化了戊二胺對大腸桿菌的生長抑制。這些加到一塊，最終構(gòu)建出了高性能的戊二胺生產(chǎn)菌株。這種菌株的生產(chǎn)力非常強，能大大降低戊二胺的生產(chǎn)成本。但光有生產(chǎn)菌株還不夠，研究所還開發(fā)了幾種專門用于催化過程的簡化、戊二胺的高效提取以及純化的工藝，通過進一步優(yōu)化和放大，這才于2020年在黑龍江實現(xiàn)了萬噸級生產(chǎn)。

靠這套生產(chǎn)技術(shù)制造的尼龍56，經(jīng)外國公司檢測，戊二胺純度達到99.92%，切片的生物基碳含量占48%，獲得了第三方科技機構(gòu)的好評，認(rèn)為其生產(chǎn)技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。目前，尼龍56已經(jīng)被推廣到了全世界，并且應(yīng)用在了很多常見的東西里，比如在各種紡織品、服裝的面料中，它能讓衣服更耐磨、干爽。而其具有的高強度、高耐熱性、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，又讓它的身影常出現(xiàn)在汽車耐高溫部件、電子連接器等等器件里。除了尼龍56，這套生物技術(shù)還能生產(chǎn)出其他尼龍材料，像尼龍510和512等長碳鏈尼龍，耐高溫的尼龍52、5T和54等，這些材料都有廣泛的應(yīng)用場景。可以說，微生物研究所開發(fā)的尼龍56生物制造技術(shù)，讓中國擺脫了對外國的尼龍依賴，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，保障了我國尼龍產(chǎn)業(yè)鏈安全，還促進了賴氨酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略提供戰(zhàn)略性支撐，具有重大意義。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：溫廷益

審核：王建明

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司