姚斌团队饲料用酶技术体系创新及重点产品创制获得国家科技进步二等奖

 

主要完成人：姚斌，罗会颖，黄火清，杨培龙，柏映国，于会民，李阳源，詹志春，刘鲁民，李学军
推荐单位：北京大北农科技集团股份有限公司
获奖等级：国家科技进步奖二等奖
项目简介：
我国养殖规模居世界首位，但饲料粮短缺、养殖环境污染及动物产品安全等问题制约着我国养殖业的健康可持续发展。饲料用酶是一类应用效果极为显著的新型绿色饲料添加剂，可显著提高饲料利用效率、降低氮磷等有机物排放及减少药物性添加剂的使用，从而节约饲料粮、保障环境和动物产品安全，是从养殖业源头--饲料层面解决上述问题的有效途径。欧美发达国家于上世纪90年代开始推广应用饲料用酶并进入中国市场，但其特殊的性能要求及高昂的成本等瓶颈问题始终未能有效解决，极大限制了其普及应用。本项目建立了完整的酶基础研究和产品开发自主技术体系，系统地解决了饲料用酶性能、成本、知识产权和可持续研发等产业化应用的瓶颈问题，打破了国际大公司的垄断,并使我国饲料用酶迅速发展成为具有国际竞争力、效益显著的新兴产业。
主要创新内容包括：1.创立了高效的基因资源挖掘技术体系，在国际酶基因资源的激烈争夺上占据制高点。克隆到具有高比活、耐高温、嗜酸、抗蛋白酶等特性的饲料用酶新基因184个，本项目中的5种饲料用酶基因在GenBank数据库中的注册数占全球近五年总数的28.9%。2.酶的构效机理和高效表达机制研究取得突破，构建了高效的酶分子改良和表达技术体系，解决了酶难以满足饲料高温制粒要求，易被胃酸和消化道蛋白酶降解，以及产业化生产成本高等瓶颈问题。国际上首次获得了集高比活性、耐高温、嗜酸、抗蛋白酶为一体的综合性能优越、全面满足养殖业需求的酶蛋白，并构建了表达水平达10-50g/L级的高效表达技术体系，居国际领先。3.植酸酶的研发始终处于国际领先水平，产品占据国内市场90%以上，且相关技术和产品已向美国等发达国家输出。由首次实现规模化生产的单一植酸酶发展为完整的系列产品，广泛应用于畜禽和水产养殖领域，且技术水平持续提升，如耐90℃高温的植酸酶技术水平达6.4万IU/mL发酵液，引领了研发方向。4.饲料用酶的整体技术水平居国际先端，促进了系列饲料用酶的研发与迅速的普及应用，推动行业发展。创制的木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶等主要饲料用酶的产业化生产水平分别达到22万、9万、7万、4千IU/mL发酵液，较同类技术高3倍以上。
本项目单位近三年产生直接经济效益(利税)5.50亿元。项目期内累计生产销售单酶及复合酶产品20.6万吨，在全国31省区上千家饲料及养殖企业推广应用，并出口欧美等20余个国家。产品已应用于全国80%以上的猪、鸡、水产等动物饲料，间接经济效益546.53亿元，并节约粮食5000万吨、磷资源1000万吨，减少养殖业磷氮等有机物排放1300万吨。
项目获授权专利66项，其中发明专利56项(包括授权PCT专利2项)，占国内饲料用酶基因专利的69%。发表SCI论文113篇，SCI他引578次。参与制定国家或行业标准9项。成果技术和专利不仅向国内20多家优势酶制剂企业转让，还向美国企业2次转让技术。本项目部分内容已获2013年北京市科技一等奖和第八届大北农科技奖特等奖。
主要完成人事迹介绍：
翻开姚斌研究员的工作履历，是一个个闪光点，1999年被评为中国农业科学院跨世纪学科带头人； 2001年，主持完成的研究成果“利用基因工程酵母生产植酸酶”获得国家科学技术进步二等奖，获国家“863”十五周年先进个人、重要贡献奖，并破格晋升为研究员、博士生导师； 2004年获农业部有突出贡献的中青年专家称号, 同年入选“新世纪百千万人才工程国家级人选”；2005年入选中国农业科学院一级杰出人才并获得政府特殊津贴；2012年获得国家杰出青年科学基金项目，获评农业部“农业科研杰出人才”。2013年获得北京市科技奖一等奖及社会奖励大北农科技奖特等奖，2014年研究成果“饲料用酶技术体系创新及重点产品创制”更是又一次获得国家科技进步奖二等奖。
1994年姚斌博士从中国农业科学院研究生院毕业后，来到饲料研究所工作，从此开始了他把高新生物技术与传统饲料工业相结合的创新之路，率先开辟了饲料研究中极具发展潜力的新领域——饲料酶制剂分子生物学与基因工程的研究。
90年代中后期，中国已成为世界第二大饲料生产国，但是饲料添加剂尤其是饲料酶制剂的研究水平与西方发达国家相距甚远。饲料酶制剂不仅可以减少饲料中抗生素及其它化学添加剂的使用, 提供更为安全、优质的动物产品，而且能大幅度减少动物排泄物中的氮磷等有机物含量, 减轻环境污染。同时，酶制剂还可以提高饲料利用率并拓展新的饲料资源。饲用酶制剂的质量取决于酶的活性高低、酶分子的性质及稳定性。当时国内酶制剂研究的主要途径是利用传统方法筛选优良菌种，酶制剂的活性较低，产量和性质都难以满足实际应用需要。国内的酶制剂市场主要由国外公司占有。
在此情况下，姚斌博士潜心研究基因工程、蛋白质工程、发酵工程等酶制剂技术发展的前沿技术，建立了国内饲料研究第一个分子生物学实验室。1998年，他出色完成了“863”项目在饲料行业的第一个课题——“饲料用（酸性）植酸酶的研究”，使植酸酶在重组酵母中的最终表达量提高了37倍，并在国际上首次成功利用酵母表达系统作为高效表达生产植酸酶的生物反应器，表达量达到5 mg/ml.最终实现了植酸酶的产业化生产，一举打破了酶制剂工业的研发一直由国际上少数大企业垄断的局面，取得了饲料酶制剂发展里程碑式的成就。2001年，年仅34岁的姚斌博士获得了国家科技进步二等奖。
进入21世纪以来，饲料用酶的应用效果已在世界范围内得到公认, 但到目前为止, 除少数品种得到广泛使用外,其它酶种在饲料中的使用量总和不足30%。相对而言，我国添加酶制剂的饲料的比例远远低于欧美等发达国家水平。为何国际上众多的研究单位、公司投入大量人力物力不能有效解决这些问题？姚斌研究员经过长期的探索与思考，认为其主要原因在于可利用的饲料用酶资源匮乏、酶的性能不能满足需求且生产成本高。姚斌研究员意识到解决这些问题必须回到饲料用酶分子生物学基础研究的科学问题上，只有通过这些科学问题的深入研究，才能系统性地解决饲料用酶的广泛应用问题。他凝炼出饲料用酶研究中的关键科学问题：1.针对饲料用酶的特殊性有目的的挖掘性质优良的酶基因资源； 2. 酶的催化机制、结构与功能(pH、温度、抗蛋白酶、催化效率)的分子基础和生化机理的研究；3. 酶蛋白高效表达的机制问题。多年来，通过这种以饲料用酶的结构与功能、抗逆机制等分子生物学理论研究为基础, 以旨在拥有自主知识产权的新微生物和基因资源的挖掘为源头，以基因工程、蛋白质工程和发酵工程研究为手段, 以揭示酶的分子催化机制等生命本质和酶产品的产业化开发为目标的系统工作，姚斌研究员带领他的团队实现了饲料用酶从基础研究到产业化生产的完整技术链条构建。
凭借从基础研究到产业化生产的完整技术链条，姚斌研究员带领研究团队开发出多种具有达国际领先水平的饲料用酶新品种。已有植酸酶、β-葡聚糖酶等10余种产品实现产业化生产且技术水平在国际上处于领先地位。 其中植酸酶产品占据了95%以上的国内市场和较大份额的国际市场。在酶分子的耐酸碱、耐热以及催化效率机制研究方面也有较大突破，并由此指导了酶的进一步分子改良。获得了几百个具有基础理论研究价值或应用价值的新酶或新基因。近5年已发表SCI论文130篇(通讯作者120篇)，申请发明专利50项(32项已授权)。近5年技术转让金额超过4000万元, 并实现了向发达国家—美国的技术转让（二项次）。 进一步确立了在饲料用酶的基础研究和饲料高新技术实际应用上的领先地位，在行业内起到示范作用。
熟悉姚斌研究员的人都知道，周末或者节假日在实验室准能看到他的身影。他领导的团队，已经由原来的几个人扩大到几十个人，团队固定的科研工作报告会已经坚持了很多年。作为团队的领导者，他不仅在科研上有前瞻性和创新性，更清醒的看到，任何一项事业的成功，都离不开团队的力量。他认为，高层次创新型科技人才在提高科技发展水平和团队核心竞争力方面具有不可替代的作用，培养和使用好这些人才资源才能占领科技创新的制高点。科研团队是一支由30岁左右的青年科学家和研究生为主组成的队伍，针对这一实际情况，他明确团队每个成员的工作重点，团队成员之间的关系既是竞争又是合作。鼓励团队成员自由发挥想象力和创造力，激发与培养团队成员研究问题的兴趣，为团队成员成长为独当一面的人才提供充分的科研资源与话语权。他尤其着重培养交叉学科人才，使各具专长和特点的科技人才之间有充分的思想交流与碰撞，加速科学思想的形成、科研水平的提高。同时针对这些处于 “上有老下有小”状态的科技人员的实际困难，努力为他们改善生活待遇，解决后顾之忧，使他们能够心无旁骛地潜心学术，充分发挥自己的创造力。
在团队中，涌现多名德才兼备，技术拔尖的人才，他们以科学严谨的敬业精神，为更年轻的研究生一代做出了榜样。也有在专业知识海洋里默默无闻，勤恳劳作的耕耘人，他们把自己的专业知识和工作经验毫无保留的传授给身边的研究生和年轻人，无数次的帮助他们解决了技术上的疑点和难题，培养出不少技术上过硬的研究生。
姚斌研究员最常说的就是“每个人做好一个点的工作，点多了就连成了线，线多了，就形成了面”，他也正在科研工作中带领他的团队形成一个又一个闪光点，这些闪光点，终将会支撑饲料及酶制剂领域更好更快的发展！
研究团队总体情况介绍：
团队名称：饲用酶工程
负责人：姚斌
二级研究员，中国农业科学院饲料研究所副所长，农业部饲料生物技术重点实验室主任。为国家杰出青年科学基金获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选、农业科研杰出人才、农业部有突出贡献的中青年专家、政府特殊津贴获得者。在国内率先开展将基因工程等高新技术应用到传统饲料行业这一开拓性的研究工作，“九五”以来主持国家级自然基金、“863”、成果转化等课题31项。建立了完整的饲料用酶基础研究和产品开发技术平台，包括植酸酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶等10种酶制剂已实现产业化生产，且其技术达到国际领先水平。确立了在学术研究上和饲料高新技术实际应用上的领先地位, 并起到示范作用。使我国的饲料用酶产业和应用从无到有，迅速发展成为一个社会经济效益显著的、具有国际竞争力的新型产业，推动了行业的可持续发展。
核心成员：
杨培龙，研究员，研究方向为饲料微生物资源。
罗会颖，副研究员，研究方向为饲用酶蛋白质工程。
黄火清，副研究员，研究方向为微生物高效表达系统构建。
石鹏君，副研究员，研究方向为饲用酶结构与功能。
柏映国，副研究员，研究方向为发酵工程。
团队研究方向：
1. 饲料生物制剂资源的高通量挖掘和评估
2. 饲料酶蛋白的分子生物学基础和分子改良技术
3. 进行重组微生物高效表达机制研究和高效表达平台构建技术
4. 饲料生物制剂的发酵工程化技术及其应用技术
计划目标
针对现代畜禽、水产养殖业中饲料资源及产品安全、环境可持续发展等重大问题，运用现代分子生物学和基因工程的原理和手段，拟在5年时间内实现饲料生物技术产品相关资源发掘、利用技术平台和关键技术的突破，研制一批拥有自主知识产权的饲料用微生物及酶制剂、抗菌肽等产品，逐步带动一个以保持我国饲料养殖业健康发展为共同目标，以饲料用酶为拳头产品、饲料用抗菌蛋白、益生素等为后续产品的现代生物技术相关学科和产业群的形成、发展和壮大。力争使我国饲料生物技术研究和产品应用跨入世界先进行列，团队研发水平达到国际领先地位。
近年取得的科研成果
团队研发的多种酶制剂已实现产业化生产，且其技术达到国际领先水平。酶的生产水平较5年前的水平高10-40倍，促进饲料用酶的应用得以普及，推动了行业的发展。团队成果获得2013年北京市科技奖一等奖、大北农科技奖特等奖，2014年研究成果“饲料用酶技术体系创新及重点产品创制”获得国家科技进步奖二等奖。已发表论文255篇，其中SCI论文148篇(包括在微生物和生物技术专业的TOP期刊Environ Microbiol、Appl Environ Microbiol、Bioresource Technol等发表30余篇)。在多种酶的基因注册数量和发表文章数量上，按机构排名均为第一。已申请发明专利47项, 其中近5年以第一发明人申请发明专利42项(32项已授权)。

 

 

姚斌

 

近年取得的科研成果

 

实验设备	产品照片
团队建设	专利证书