“細胞工廠”高效生產氨基酸衍生物

在化妝品原料市場的激烈角逐中，氨基酸衍生物憑借其在抗衰老、保濕、修復以及美白等方面的卓越功效，成為市場新寵。不過，傳統生產方式存在的諸多弊端，讓它難以充分“施展拳腳”。如今，利用合成生物技術，構建“微生物細胞工廠”，不僅能提高氨基酸衍生物的生產效率、降低生產成本，還能實現綠色制造。

天津科技大學生物工程學院教授謝希賢團隊長期致力于該領域研究，其最新發表的《氨基酸衍生物在化妝品中的應用及其生物合成研究進展》一文，系統闡述了合成生物技術在氨基酸衍生物生產方面的應用前景，為化妝品原料生產開辟了新路徑。相關研究成果日前發表在《合成生物學》期刊上。

堪稱護膚界的“多面手”

“氨基酸是構成蛋白質的基本單位，而氨基酸衍生物則是在氨基酸分子基礎上，通過化學或生物學方法進行結構修飾后得到的化合物?！敝x希賢解釋道，這種修飾可能是引入羥基、?；裙倌軋F，也可能是改變分子結構?！跋噍^于單一氨基酸，氨基酸衍生物的生理活性更豐富，應用性能更優越，這也是它們能在化妝品領域脫穎而出的關鍵?！敝x希賢說。

在護膚功效上，氨基酸衍生物堪稱“多面手”。謝希賢舉例介紹：“作為氨基酸衍生物中的一類，谷氨酸衍生物保濕能力突出，能像小海綿一樣鎖住皮膚水分，是很多保濕面膜、乳液的核心成分；芳香族氨基酸衍生物則自帶抗氧化和抗炎屬性，既能對抗紫外線引起的自由基損傷，延緩皮膚衰老進程，又能抑制與黑色素生成相關酶的活性，助力美白。”此外，部分氨基酸衍生物還能促進皮膚角質層修復、增強皮膚屏障功能。

然而，這樣的優質原料在合成生物技術興起前，卻面臨生產瓶頸。

天津科技大學生物工程學院副教授馬倩介紹，傳統氨基酸衍生物生產方法主要有兩類：一是從天然資源中提取分離，比如從動植物組織中提取分離特定氨基酸衍生物；二是通過化學合成，利用化工原料在高溫、高壓等嚴苛條件下反應生成。

“這些生產方式存在明顯短板?！瘪R倩直言，天然提取方法依賴資源量，產量極低且成本高昂，比如某些珍稀氨基酸衍生物，每噸天然原料可能只能提取幾克目標物質，根本無法滿足化妝品生產需求。而化學合成方法雖能提升產量，但需要消耗大量化石原料，在反應過程中還會產生有毒有害的廢水、廢氣，既不環保，又可能讓產物殘留化學雜質影響化妝品的安全性。更關鍵的是，通過傳統方法生產的氨基酸衍生物穩定性差，不同批次產品的功效波動大，這讓化妝品企業在原料選擇上頗為謹慎。

打造“微生物細胞工廠”

“合成生物技術的出現，相當于為氨基酸衍生物生產裝上了‘智能引擎’。”謝希賢形象地比喻，其核心是設計和構建“微生物細胞工廠”——把微生物改造成微型化工廠，讓它們定向、高效地生產目標產物。

具體如何操作？謝希賢團隊的研究給出了清晰路徑。首先要“畫圖紙”，即解析目標氨基酸衍生物的天然合成路徑，或從頭設計更高效的人工合成路徑?！氨热缥覀兿肷a稀有氨基酸衍生物——麥角硫因，就得弄清楚它在某些真菌中的合成步驟，哪些酶在其中起作用。”謝希賢說。

接著是“搭工廠”，即利用CRISPR等基因編輯工具，將負責催化反應的關鍵基因導入大腸桿菌、釀酒酵母等底盤微生物中，同時抑制微生物自身消耗原料的旁路代謝，確保微生物“吃”進去的營養，都盡可能轉化成目標產物。

最后是“搞生產”，在發酵罐中為改造后的微生物提供葡萄糖等廉價碳源，并控制好溫度、pH值等條件，讓它們在溫和環境中“努力工作”，大量合成目標產物。

相比傳統方法，這種生產方式堪稱具有顛覆性優勢。

“效率和成本是最直觀的突破?！敝x希賢舉例，團隊曾通過合成生物技術優化麥角硫因的生產路徑，使其發酵產率從過去的毫克/升級別提升到克/升級別，實現了量級突破?！斑@意味著成本大幅下降，原本只能用于高端產品的成分，現在有機會用于普通產品?！敝x希賢說。

在環保層面，合成生物技術更是“綠色標桿”。“微生物能夠利用玉米等生物質原料進行生產，不依賴化石資源；反應在常溫常壓下即可進行，能耗低，且幾乎不產生污染物?！敝x希賢強調，這完全契合化妝品行業對天然、安全、可持續的追求。

此外，生物合成技術生產氨基酸衍生物，其安全性和純度也更有保障?！皞鹘y以動植物為原料的生產方式，可能因原料本身攜帶病原體，或原料自身含有的特定蛋白質等成分，導致最終產品混入這些可能引發人體感染或過敏反應的物質，而合成生物技術采用的封閉發酵系統能從源頭切斷這類風險。同時，通過基因調控還能減少副產物，讓產物純度更高、功效更穩定?！敝x希賢補充道，更值得期待的是，合成生物技術還能通過設計全新的合成路徑，生產自然界中不存在但功效更優異的氨基酸衍生物，為化妝品原料創新打開無限空間。

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如今，由合成生物技術生產的氨基酸衍生物已由實驗室里的樣品加速走向消費者的梳妝臺。

“麥角硫因就是典型例子?！敝x希賢介紹，這種氨基酸衍生物憑借其超強的抗氧化能力，已成為各大品牌高端抗衰老線的標配?！昂芏喈a品會特意標注‘合成生物來源’，以此凸顯原料的高品質和科技感?！敝x希賢說。

重組膠原蛋白則是另一大“明星”產品。與傳統動物源膠原蛋白相比，合成生物技術生產的重組膠原蛋白與人體序列更匹配，無病毒風險，且生物相容性好?！跋嚓P產品上市后迅速占領市場，現在很多醫美面膜、修復精華中都含有重組膠原蛋白。”謝希賢說。此外，具有抗敏感性的γ-氨基丁酸、抗逆保濕的四氫嘧啶、長效鎖水的γ-聚谷氨酸等氨基酸衍生物，也已通過合成生物技術實現量產，成為功效型化妝品的常用原料。

“可以說，合成生物技術驅動的氨基酸衍生物市場正處于高速增長期?！瘪R倩指出，但要讓氨基酸衍生物實現更大規模、更低成本的應用，還有幾道關卡需要突破。

首先是底盤菌株的優化難題?！袄硐氲摹毎S’需要具備代謝路徑清晰、遺傳穩定、抗逆性強等特點，但很多天然生產菌株難以進行改造，同時常用的大腸桿菌、酵母在表達復雜合成路徑時，又容易‘累著’——代謝負擔過重會導致其生長變慢、產物減少，甚至因產物毒性死亡。”馬倩坦言，如何讓菌株“更能干、更扛造”，是團隊目前的研究重點。

其次是關鍵酶的性能瓶頸。“合成路徑中的酶就像生產線上的工人，但很多天然酶要么‘挑活’——底物特異性太強，要么‘效率低’——催化反應慢，甚至‘不知道怎么工作’——作用機制不明?！瘪R倩解釋，雖然可以通過基因編輯優化酶的性能，但要同時提升其活性、穩定性和表達量，難度極大，這是限制產物產量提升的核心障礙之一。

再次是從實驗室到工廠的“放大效應”也不容忽視。“小試時菌株表現很好，但放到幾十噸的大發酵罐里就可能‘水土不服’?！瘪R倩舉例，大罐中氧氣、溫度、pH值分布不均，可能導致微生物代謝紊亂。如何優化發酵工藝，讓大規模生產的產量和穩定性與小試一致，是產業化的關鍵挑戰。

此外，研發和純化成本也需控制。“前期菌株研發要經過‘設計—構建—測試—學習’的反復循環，耗時耗力；發酵后的產物純化步驟復雜，成本往往占總成本的一半以上。”馬倩認為，未來需要通過自動化設計工具縮短研發周期，開發更高效的純化技術，才能進一步降低成本。

盡管挑戰重重，但專家們對合成生物技術在氨基酸衍生物生產方面的應用前景仍充滿信心，他們相信隨著基因編輯技術的進步、發酵工藝的優化，這些難題會逐步被攻克。謝希賢和馬倩都認為，合成生物技術不僅會為化妝品行業提供更多安全高效的原料，更將推動整個美妝產業向綠色、可持續方向轉型。

“未來，消費者用到的每一瓶護膚品，都可能凝結著合成生物技術的智慧，這是科技進步對美好生活的助力?！敝x希賢表示。