整理|江海晴
近期，由廣東省化妝品學(xué)會(huì)主辦，廣東省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、廣州市白云區(qū)人民政府指導(dǎo)，美妝網(wǎng)、珠海市大美灣化妝品創(chuàng)新研究院、廣州白云美灣科技發(fā)展有限責(zé)任公司承辦的2022第六屆中國(guó)（白云美灣）化妝品國(guó)際高峰論壇圓滿落幕。會(huì)上，中國(guó)工程院院士、江南大學(xué)原校長(zhǎng)陳堅(jiān)發(fā)表《合成生物學(xué)技術(shù)驅(qū)動(dòng)化妝品原料的生物制造》的主題分享。以下為演講實(shí)錄：01化妝品原料的生物制造典例首先，談幾個(gè)例子，讓大家更多地，了解關(guān)于發(fā)酵工程，特別是合成生物學(xué)的一些作用。①透明質(zhì)酸/玻尿酸2021年透明質(zhì)酸的全球銷售額大概是85億美元，不同的分子量的透明質(zhì)酸有不同的功效。例如，超高分子量的（＞300萬(wàn) Da）能填充和潤(rùn)滑關(guān)節(jié)，高分子量的（100萬(wàn)-300萬(wàn) Da）能保濕和增稠，中分子量的（10萬(wàn)-100萬(wàn) Da）能持久保濕、皮膚屏障，低分子量的（＜10萬(wàn) Da）深層保濕、抗炎、修復(fù)，透明質(zhì)酸寡聚糖（＜1萬(wàn) Da）能促進(jìn)傷口愈合、腸胃修復(fù)、抗氧化。目前，我的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的研究工作，第一個(gè)是中高分子量透明質(zhì)酸的發(fā)酵功能技術(shù)，包括微生物的選育，發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化。我們要不斷地進(jìn)行一些條件的控制，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。關(guān)于小分子量，首先是酶法生產(chǎn)。以前我們會(huì)采用一些物理、化學(xué)或者傳統(tǒng)的酶法進(jìn)行生產(chǎn)，它的問(wèn)題就是分子量不可控、分布比較廣，影響性能。我們從水質(zhì)里獲得酶的基因，轉(zhuǎn)到酵母里去，讓它分泌表達(dá)得到酶。用酶水解大分子量的透明質(zhì)酸，這個(gè)水解是可控的，用以制備特定分子量，可以生產(chǎn)不同分子量的透明質(zhì)酸，最低的可以達(dá)到800 Da。更進(jìn)一步的是小分子量的一步發(fā)酵法。首先，我們?cè)诶碚撋线M(jìn)行研究，通過(guò)技術(shù)的改進(jìn)，可以使得小分子量透明質(zhì)酸與發(fā)酵法生產(chǎn)達(dá)到每升74克的生產(chǎn)量，分子量大概5萬(wàn) Da。不僅如此，我們還對(duì)整個(gè)糖胺聚糖分子量進(jìn)行調(diào)控——通過(guò)積累、發(fā)酵、切割，實(shí)現(xiàn)糖酶改造和透明質(zhì)酸分子量的全覆蓋。我們可以既生產(chǎn)出超高分子量（500萬(wàn) Da），也可以得到很低的分子量（750-800 Da）。②硫酸軟骨素硫酸軟骨素具有保濕、抑菌、抗炎等功效，用在一些抗衰老的化妝品中。傳統(tǒng)是從動(dòng)物組織里進(jìn)行提取，它的問(wèn)題是原料受限制、交叉感染、組分比較復(fù)雜、均勻性比較差、分子量比較難控制?，F(xiàn)在采用微生物發(fā)酵直接生產(chǎn)，我們是最早在國(guó)際上直接生產(chǎn)硫酸軟骨素的團(tuán)隊(duì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)磺酸化修飾、精準(zhǔn)、可控、分子量均勻完整。具體包括：酵母細(xì)胞工廠構(gòu)建，把微生物細(xì)胞構(gòu)建得更好；然后是分子鑒定，確定產(chǎn)生的物質(zhì)是哪一種硫酸軟骨素；接著是途徑優(yōu)化，做高產(chǎn)量；最后是發(fā)酵合成。③四氫嘧啶四氫嘧啶的功效是保護(hù)生物大分子、保持皮膚的濕潤(rùn)、抗衰老、防曬、適應(yīng)極端環(huán)境等。我們的主要工作，一是對(duì)微生物（左下角）的合成途徑進(jìn)行重構(gòu)，也是對(duì)微生物細(xì)胞工廠進(jìn)行改造；二是通過(guò)途徑關(guān)鍵基因鑒定及組合強(qiáng)化拉動(dòng)代謝流，使它的產(chǎn)量更高；三是采用一些技術(shù)，如分批補(bǔ)料等進(jìn)行高效發(fā)酵生產(chǎn)。發(fā)酵生產(chǎn)，比如說(shuō)葡萄糖為唯一碳源，不需要氨基酸的添加，穩(wěn)定性比較好。④膠原蛋白膠原蛋白是化妝品現(xiàn)在比較時(shí)興的，它是動(dòng)物結(jié)締組織里分布最廣的功能蛋白，以纖維膠原為主，化妝品行業(yè)可以應(yīng)用于護(hù)膚品面膜等。傳統(tǒng)是從動(dòng)物中提取，存在一些問(wèn)題。所以，我們通過(guò)生物技術(shù)獲得性能優(yōu)良、產(chǎn)品穩(wěn)定的重組人膠原蛋白，生物效用性更好。我們的工作就是把從動(dòng)物提取的東西轉(zhuǎn)到微生物發(fā)酵生產(chǎn)?；谛阅軆?yōu)良的膠原蛋白序列特征，在人源膠原蛋白序列庫(kù)中挖掘潛在序列進(jìn)行重組表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了3條新人源膠原蛋白序列在微生物中的功能表達(dá)。而人源重組膠原蛋白結(jié)構(gòu)功能改進(jìn)是針對(duì)人源重組膠原蛋白的構(gòu)效關(guān)系，對(duì)膠原蛋白序列進(jìn)行了改進(jìn)，并用于制備膠原蛋白海綿、膠原蛋白膜和膠原蛋白水解肽，優(yōu)化其在化妝品和食品中的特定應(yīng)用特性。⑤白藜蘆醇上述例子都是從動(dòng)物生產(chǎn)轉(zhuǎn)到微生物，白藜蘆醇則是從植物提取轉(zhuǎn)到微生物。我們采用生物技術(shù)，將原來(lái)的動(dòng)物提取或者植物提取的東西轉(zhuǎn)到微生物里生產(chǎn)。白藜蘆醇是一類多酚類化合物，原來(lái)存在于葡萄、花生和一些中草藥中，具有抗腫瘤、抗衰老的一些作用，在化妝品中的作用是抗氧化，減少黑色素的形成，激活多種轉(zhuǎn)入因子的活性，延長(zhǎng)細(xì)胞的生命周期，減少一些炎癥反應(yīng)?，F(xiàn)在它已經(jīng)在一些洗面奶、手霜里進(jìn)行應(yīng)用。我們對(duì)它的主要研究，首先是構(gòu)建微生物細(xì)胞，再進(jìn)一步進(jìn)行發(fā)酵。實(shí)際上就是兩大要素：細(xì)胞在生物技術(shù)里相當(dāng)于它的芯片，把細(xì)胞建好，然后把細(xì)胞放到反應(yīng)器里進(jìn)一步生產(chǎn)。▲中國(guó)工程院院士、江南大學(xué)原校長(zhǎng)陳堅(jiān)以上都屬于生物制造技術(shù)相關(guān)的部分化妝品原料（組分），香精香料沒(méi)有包含其中。它們都可以用生物技術(shù)方法生產(chǎn)，有一部分已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，有一部分正在產(chǎn)業(yè)化，還有一部分正在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的路上。再進(jìn)一步說(shuō)品牌，用二列酵母發(fā)酵產(chǎn)物、酵母提取物、酵母發(fā)酵濾液等，都是生物制造的東西，只不過(guò)用了不同的名稱。生物制造化妝品具有天然屬性，安全性比較好，而且可以獲得一些獨(dú)特的功效，特別受青睞。來(lái)源于動(dòng)植物的化妝品原料有許多具有比較復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，所以天然植物提取方法存在的問(wèn)題是含量低、植物收獲導(dǎo)致的季節(jié)性、不可控制的農(nóng)藥和重金屬、農(nóng)藥殘留污染。而化學(xué)合成法的合成路徑長(zhǎng)、條件復(fù)雜、產(chǎn)品得率低、環(huán)境污染大。高成本限制了很多化妝品原材料的開發(fā)，所以生物制造是必然的趨勢(shì)。02化妝品原料的生物制造過(guò)程與要素總體來(lái)說(shuō)，生物制造化妝品一般是用一些生物質(zhì)原料或者中間體，通過(guò)在反應(yīng)器當(dāng)中或者發(fā)酵罐，通過(guò)微生物細(xì)胞或者酶把它轉(zhuǎn)化成各種化妝品原料，甚至有些直接作為產(chǎn)品。發(fā)酵過(guò)程，第一步是微生物種子培養(yǎng)，第二步是原料加工，第三步是發(fā)酵，包括反應(yīng)器、控制系統(tǒng)，要保證微生物在最佳、最適合它的條件下生長(zhǎng)和代謝。第四步是產(chǎn)品的分離提取，不同的產(chǎn)品可能有不同的分離方法。從化妝品研發(fā)的要素來(lái)看，集中有三個(gè)方面：第一是生產(chǎn)菌種的改造，方法包括傳統(tǒng)的誘變育種、現(xiàn)在的代謝工程、合成生物學(xué)和定向凈化等。第二是發(fā)酵/酶轉(zhuǎn)化過(guò)程優(yōu)化與控制，讓微生物生長(zhǎng)、產(chǎn)生我們所需要的產(chǎn)物，并處在一個(gè)最佳的條件下。此外，還要考慮怎么把它從發(fā)酵液里提取分離出來(lái)。第三是酶的轉(zhuǎn)化，最重要的研究，一是新酶的挖掘與設(shè)計(jì)改造；二是關(guān)于高效的表達(dá)系統(tǒng)開發(fā)與發(fā)酵優(yōu)化，首先要高效地在細(xì)胞里表達(dá)出來(lái)，然后發(fā)酵獲得這個(gè)酶；三是酶的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，很多化妝品里都是用各種短肽，而很多肽就是用酶法轉(zhuǎn)化的，有很多功能。從工業(yè)的角度看，發(fā)酵有三個(gè)問(wèn)題，分別是產(chǎn)量、效率、強(qiáng)度。它們的核心涉及到細(xì)胞工廠的構(gòu)建，而構(gòu)建最重要的就是用現(xiàn)代的合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建細(xì)胞。03化妝品原料生物制造的發(fā)展：合成生物學(xué)生物科學(xué)里有很多研究的方法論，過(guò)去的很多都是按照還原論的思想。但是，合成生物學(xué)是按照整體論的哲學(xué)，從局部的設(shè)計(jì)組裝到整體，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化，整體大于局部之和。當(dāng)然，它有基礎(chǔ)。正如一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者所說(shuō)：如果說(shuō)你真正了解汽車，你把它造出來(lái)是最好的了解，你做的過(guò)程中就必須全部了解。我們現(xiàn)在認(rèn)為合成生物學(xué)是新的生命科學(xué)的前沿，它主要是從理解生命規(guī)律到設(shè)計(jì)生命體系。在生物技術(shù)里有幾個(gè)很重要的內(nèi)容，比如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、中心法則、分子生物學(xué)及系統(tǒng)生物學(xué)，現(xiàn)在開始是合成生物學(xué)。這是一個(gè)過(guò)程，它是在前面的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展起來(lái)的。合成生物學(xué)有幾方面重要的內(nèi)容：一是基因編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從單基因到多基因的邊界，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。二是人工合成基因組，它實(shí)際上是用工程化設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，以揭示生命規(guī)律和構(gòu)筑新一代生物工程體系。我想強(qiáng)調(diào)的是，2010年以后，出于三個(gè)方面的原因：一是DNA測(cè)序、合成和篩選的成本大幅度降低，二是基因組編輯的工具非常成熟而且應(yīng)用非常多，三是一些生物信息學(xué)的發(fā)展及人工智能的應(yīng)用，人工智能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)得準(zhǔn)確，已經(jīng)達(dá)到2億個(gè)。所以，一批可以改變整個(gè)生物產(chǎn)業(yè)的重大技術(shù)在不斷出現(xiàn)。以青蒿素為例，屠呦呦女士從青蒿里將青蒿素提取出來(lái)，獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這是過(guò)去的研究。實(shí)際上，從2013年開始，美國(guó)和法國(guó)的科學(xué)家就把青蒿里產(chǎn)生的基因確定出來(lái)以后，轉(zhuǎn)到酵母、微生物里去進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)酵生產(chǎn)青蒿酸，再進(jìn)一步產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。100立方的發(fā)酵罐產(chǎn)生的青蒿素近5萬(wàn)畝種植產(chǎn)量，這是它的顛覆性?；瘖y品原料的細(xì)胞工廠構(gòu)建合成生物學(xué)技術(shù)，我們認(rèn)為今后肯定是三個(gè)方面：一是快速實(shí)現(xiàn)已知化妝品原料的制造。二是已知但目前不容易獲得的化妝品原料制造。三是具有新性能未知的化妝品原料制造。最后，我想以《Nature Biotechnology》于2022年5月16日發(fā)布的一篇文章的觀點(diǎn)作為結(jié)束語(yǔ)，它的題目也是“化妝品：生物技術(shù)優(yōu)于天然”。第一，合成生物學(xué)可以加快創(chuàng)新。第二，開發(fā)其他生物技術(shù)產(chǎn)品通常需要十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，而化妝品采用合成生物學(xué)技術(shù)可能只要幾個(gè)季度或一年不到。第三，更快的創(chuàng)新意味著更快的產(chǎn)品迭代、更強(qiáng)的增長(zhǎng)潛力以及更具想象力的市場(chǎng)空間。
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