生物工程:释放自然界的宝藏

2020年3月

凯瑟琳·朱厄尔,产权组织出版物司

对于探索技术前沿的材料工程师、高产发明家和企业家奥代德·绍谢约夫来说,大自然是灵感的源泉。过去30年来,他一直在解锁大自然的秘密,发现的植物基新材料振奋人心,这种材料与石油基合成材料相比优势明显,可持续性方面尤其出色。绍谢约夫教授介绍了自己一些最为重要的发明,并强调指出,要确保发明带来的益处能惠及全社会,知识产权可以发挥重要作用。

探索技术前沿的材料工程师奥代德· 绍谢约夫教授拥有62项专利,是14家企业的科学创始人,他说,“我认为大学的责任不仅仅在于教育培养工程师和科学家。科学发现让我们有机会影响更多人的生活。”(图片:Courtesy of Oded Shoseyov)

您是怎么涉足植物纳米技术的?

我出身农家,一直对农业很感兴趣。我的家族经营葡萄园已有130多年。起初我学习化学,后来转向农业和蛋白质生物工程。1990年,我进入希伯来大学农业系任植物分子生物学教授,在这所大学我所管理的实验室规模相对较大,有很多学生在那里研究蛋白质工程与纳米生物技术。

植物一直是我的研究重点,但我也涉足工业和医疗领域。例如,多年来我一直在寻找方法,利用源自人体的基因在植物中生产人胶原蛋白。我没有把研究局限于植物方面,但总是发现自己生产蛋白质时回归植物,或者用植物衍生材料制造复合材料。植物的效率很高,为我们生产包括氧气在内的一切,非常神通广大。

过去30年来,绍谢约夫教授一直在解锁大自然的秘密,发现的植物基新材料振奋人心,这种材料与石油基合成材料相比优势明显,可持续性方面尤其出色。例如,通过对烟草植物进行基因改造,他找到了一种生产植物性胶原蛋白的方法 (图片:Courtesy of Oded Shoseyov)

作为名下拥有62项专利的高产发明家,您能否介绍一下初次接触专利的情况?

说来话长,而且过程并非轻而易举。作为青年科学家,刚开始我的主要任务是发表科学论文和获得终身教职。但加入耶路撒冷希伯来大学后不久,我为某公司提供咨询服务,机缘巧合,在该公司联合创始人与我共进午餐时我决定推迟发表科学论文,先提交一项涵盖自己研究成果的专利申请。我还得到一笔数目可观的科研经费,用于为我的研究成果寻找应用,而那位联合创始人承诺,如果我找到有用的应用,他将成立一家公司,给我4%的公司股权以及许可使用费的合理分成。不用说,我确实发现了有价值的科研应用,由此创建Futuragene公司,后来被巴西最大的造纸企业之一Suzano公司以1亿美元的价格收购。事业相当成功,但我也因此意识到自己的研究可以有更大潜能;研究不必止步于科学论文。那是我第一次接触专利,并了解到专利在推动经济发展方面的重要性。

奥代德·绍谢约夫简介

绍谢约夫教授撰写或合作撰写200多篇科学出版物,拥有62项专利。

他是14家公司的科学创始人,其中包括:

  • Futuragene Limited公司,为制浆造纸业培育转基因桉树。
  • Collplant Limited公司,在转基因植物中生产人类重组I型胶原蛋白,用于组织工程和再生医学使用的医用植入体。
  • Biobetter Limited公司,在烟草植物中产生治疗性抗体。
  • GemmaCert Limited公司,提供能确保医用大麻制品标准化的智能解决方案。
  • SP-Nano materials Limited公司,为复合材料工业制造基于蛋白质的纳米涂层解决方案。/li>
  • Melodea Limited公司,使用造纸污泥开发制造CNC,用于结构泡沫,复合材料和粘合剂。
  • Valentis Nanotech Limited公司,开发制造用于食品包装和农业的纳米生物基透明薄膜。
  • Paulee CleanTec Limited公司,以其 AshPoopie 设备号称世界领先的宠物粪便收集处理企业,通过子公司Epic-Cleantech将人粪便转化为无味无菌的有机肥料。
  • Smart Resilin Limited, 公司,开发分离节肢弹性蛋白的方法,让制造商将其加入产品,实现更好的抗疲劳性能和更大的弹性性能。
  • Sensogenic Limited公司,开发食物过敏诊断设备。
  • Karme Yosef Winery1999年由现代葡萄栽培领域的顶级科学家阿米·布拉夫多教授与曾经师从他的学生奥代德·绍谢约夫创立。

您当时找到的应用是什么?

这项应用能够加速制浆造纸业所用桉树的生长。这是巴西第一批获得监管部门批准的商用转基因林业植物。此后我又成立一批公司,包括Melodea和Collplant(见框文)。虽然我不涉足公司日常管理,但仍以顾问、董事会成员或首席科学家的身份参与其中。

您的发明是否有相通之处?

(图片: StockRocket / iStock / Getty Images Plus)

自然界经过数十亿年进化,才出现可持续的功能性材料。

绍谢约夫教授

有。这些发明都与材料学相关,尤其是生物材料。生物材料远胜于合成材料。沙特阿拉伯前石油部长曾说过,石器时代并非因石头匮乏而终止;同样,将来不等石油枯竭石油时代就早已结束。我还要补充一个有力的理由,生物材料的优势十分突出。我们只需观察学习自然生态系统的运作方式,我们必须创新!

自然界经过数十亿年进化,才出现可持续的功能性材料。在现代化学200年历史中,科学家们还没能做到这一点。所以我们会在大海中看到塑料形成新的岛屿。因此我们应当改变思路,但不需要做无用功。我总是说,想要新的灵感,就打开旧书看看!这本书经历30亿年进化写成,内容就是所有生物体的DNA。我们只需读取DNA代码,就从那里开始前进。

想要新的灵感,就打开旧书看看!这本书经历30亿年进化写成,内容就是所有生物体的DNA。我们只需读取DNA代码,就从那里开始前进。

研究生物材料的魅力何在?

生物材料的强度和功能源于其自组装的性质;构建自下而上。骨科医生在人体中放入合成材料植入体往往失效,因其机械属性与周围组织不匹配。为什么?因为它们并非自我组装而成。我的头不是由别人安到脖子上的,我的皮肤也不是由别人粘在身体上的。自然界中每个生物体都是由自我组装而形成组织器官的细胞构成的。这就是生命。这才是构造的正确方式。

请介绍一下CNC(纤维素纳米晶体)及其应用。

CNC非常好。它源自自然界中最丰富的材料——纤维素纤维。它是糖制成的可再生材料,但以重量计,CNC的强度几乎是钢的10倍,有很多振奋人心的应用。按3%的浓度和水混合后CNC转变为液晶,把这种溶液应用到任何表面——纸张、塑料、混凝土——当水蒸发时,晶体会自我组装,形成非常坚固的透明薄膜。它还能形成对石油和氧气的屏障。因此成为理想的包装解决方案。过去果汁盒一般使用聚合物(例如聚乙烯或PET)、铝和纸板组成的层压板制造。这种材料作为包装极佳,却不能回收利用。

Melodea公司是我的企业之一,它已经发现了一种更好更便宜的替代品,使用100%可回收的纤维素。成立Melodea公司的基础是我的科研实验室开发的一项专利技术。公司主要从事CNC的开发生产,与客户合作开发各种应用。后者很重要,因为他们(客户)更加了解需求,并且有渠道进入市场。例如,Melodea正在与瑞典Holmen AB公司和巴西Klabin SA公司合作,大规模生产基于CNC的生物包装。

事实上,Melodea及其合作伙伴还在解决一个令人头疼的重要环境问题,即造纸业每年产生的大量污泥。仅欧洲每年就有1100万吨。然而,对于Melodea及其合作伙伴来说,这是宝贵的原材料,可制成非消耗性产品的环保包装。但出于安全原因,食品包装我们使用原生纸浆。

CNC也可用于提高纺织品强度。如果在棉纱上涂抹一层薄薄的CNC,重量只增加1%,但韧性增加500%。同样,CNC涂层玻璃更加坚固,建筑施工和航空需要轻巧耐用的挡风玻璃时可以选择。

获奖记录

绍谢约夫教授曾经获得:

  • 2002年Polak杰出科学家奖;
  • 1999年和2010年创新与应用研究Kay奖;
  • 2012年创业创新类以色列总理嘉奖;
  • 2018年因对以色列经济社会做出贡献获得总统奖。

自然界还向你们揭开了哪些秘密?

我们也一直研究节肢弹性蛋白,这种蛋白质可以让猫蚤跳到自己身高200倍的高度!这是世界上最好的橡胶!节肢动物就有;如短距离飞行的蜻蜓等昆虫。我们正在与一些合作伙伴开发产品,比如中底采用节肢弹性蛋白材料的运动鞋,以及触摸屏等柔性电子器件。为此我们可以将节肢弹性蛋白基因嵌入细菌(大肠杆菌)并发酵,从而实现经济有效的生产。将来我们希望用这种材料制造环保轮胎,但这种大规模生产需要在工厂里进行,通过提高产量降低成本。我们正在努力,目标终会实现。

Melodea 公司及其合作伙伴在解决一个令人头疼的重要环境问题,将造纸业每年产生的大量污泥转化为非消耗性产品的环保包装。 (图片:Courtesy of Oded Shoseyov)

您的植物性胶原蛋白研究是如何开始的?

让皮肤恢复活力的产品(例如使用皮肤填充物)越来越流行。个人护理企业寻找一种更安全、更便宜、更有效的方法替代哺乳动物胶原蛋白和透明质酸,所以我开始研究是否可以利用植物制造胶原蛋白。这是一项复杂的挑战,因为需要用五种人类基因制造一种功能蛋白。我写了一篇简短论文介绍这种方法,最终,在某技术孵化器的支持下,我完成概念验证并成立公司。这就是Collplant公司的起源。

植物性胶原蛋白如何生产?

绍谢约夫教授及其团队正在研究节肢弹性蛋白,这是一种节肢动物
(短距离飞行的蜻蜓等昆虫)体内的蛋白质,他称之为“世界上最好的橡胶”。
他希望未来用它制造环保轮胎。
(图片:coopder1/iStockphoto;enot-poloskun/iStockphoto)

烟草植物(选择原因:不在食物链中)经过我们的基因改造后含有产生胶原蛋白所需的五种人类基因。我们在遍布以色列各地的25,000平方米温室中用种子繁殖植物,然后把植株分发给农民种植。收获后,叶子装上冷藏卡车运到Collplant工厂,在那里压碎提取汁液并浓缩胶原蛋白,然后我们在洁净室内环境中净化胶原蛋白,制作各类医用植入体。我们最近通过临床试验的可注射产品能够治疗糖尿病足溃疡和肌腱炎,已获欧盟和以色列监管部门批准。

我们还开发了一种植物性胶原蛋白生物墨水,用于组织和器官的3D打印。它目前仍处于临床前阶段,但我们正在与联合治疗和3D系统这两家美国公司共同开展人肺3D打印项目,前景令人振奋。预计2024年左右面世。

知识产权对贵公司的重要性体现在哪里?

作为商业资产,知识产权和企业员工同等重要。有了知识产权,就有可能与联合治疗公司和3D系统公司这样的合作伙伴一起工作,取得卓越成就。如果没有知识产权及其保护措施,我的企业就容易受到侵害,几乎不可能吸引投资者。与监管法规一样,知识产权也是必不可少的工具。没有知识产权,我们就有可能失去在这个世界上维持健康社会的能力。

科研的商用为何对您具有重要意义?

我认为大学的责任不仅仅在于教育培养工程师和科学家。科学发现让我们有机会影响更多人的生活。只有通过商用和知识产权保护才能保证这些发现得到落实。

作为商业资产,知识产权和企业员工同等重要。有了知识产权,就有可能与……合作伙伴一起工作,取得卓越成就。如果没有知识产权及其保护措施[……]几乎不可能吸引投资者。

您的下一个项目是什么?

我在希伯来大学的实验室里有几个项目正在酝酿之中,主要致力于改进植物系统,为食品和制药行业生产动物蛋白。我们还在开发具有优秀机械属性的新型生物基复合材料以及创新3D打印技术。

谁是您最大的灵感源泉?为什么?

迄今为止是达芬奇。他是最好的多学科科学家兼发明家。

您对志向远大的年轻科研者/企业家有什么建议?

远离那些说不的人。永远追寻最高的目标,与聪明人合作。

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