“细胞工厂”高效生产氨基酸衍生物

2025-08-13 16:03:47 来源：央视网

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在化妆品原料市场的激烈角逐中，氨基酸衍生物凭借其在抗衰老、保湿、修复以及美白等方面的卓越功效，成为市场新宠。不过，传统生产方式存在的诸多弊端，让它难以充分“施展拳脚”。如今，利用合成生物技术，构建“微生物细胞工厂”，不仅能提高氨基酸衍生物的生产效率、降低生产成本，还能实现绿色制造。

天津科技大学生物工程学院教授谢希贤团队长期致力于该领域研究，其最新发表的《氨基酸衍生物在化妆品中的应用及其生物合成研究进展》一文，系统阐述了合成生物技术在氨基酸衍生物生产方面的应用前景，为化妆品原料生产开辟了新路径。相关研究成果日前发表在《合成生物学》期刊上。

堪称护肤界的“多面手”

“氨基酸是构成蛋白质的基本单位，而氨基酸衍生物则是在氨基酸分子基础上，通过化学或生物学方法进行结构修饰后得到的化合物。”谢希贤解释道，这种修饰可能是引入羟基、酰基等官能团，也可能是改变分子结构。“相较于单一氨基酸，氨基酸衍生物的生理活性更丰富，应用性能更优越，这也是它们能在化妆品领域脱颖而出的关键。”谢希贤说。

在护肤功效上，氨基酸衍生物堪称“多面手”。谢希贤举例介绍：“作为氨基酸衍生物中的一类，谷氨酸衍生物保湿能力突出，能像小海绵一样锁住皮肤水分，是很多保湿面膜、乳液的核心成分；芳香族氨基酸衍生物则自带抗氧化和抗炎属性，既能对抗紫外线引起的自由基损伤，延缓皮肤衰老进程，又能抑制与黑色素生成相关酶的活性，助力美白。”此外，部分氨基酸衍生物还能促进皮肤角质层修复、增强皮肤屏障功能。

然而，这样的优质原料在合成生物技术兴起前，却面临生产瓶颈。

天津科技大学生物工程学院副教授马倩介绍，传统氨基酸衍生物生产方法主要有两类：一是从天然资源中提取分离，比如从动植物组织中提取分离特定氨基酸衍生物；二是通过化学合成，利用化工原料在高温、高压等严苛条件下反应生成。

“这些生产方式存在明显短板。”马倩直言，天然提取方法依赖资源量，产量极低且成本高昂，比如某些珍稀氨基酸衍生物，每吨天然原料可能只能提取几克目标物质，根本无法满足化妆品生产需求。而化学合成方法虽能提升产量，但需要消耗大量化石原料，在反应过程中还会产生有毒有害的废水、废气，既不环保，又可能让产物残留化学杂质影响化妆品的安全性。更关键的是，通过传统方法生产的氨基酸衍生物稳定性差，不同批次产品的功效波动大，这让化妆品企业在原料选择上颇为谨慎。

打造“微生物细胞工厂”

“合成生物技术的出现，相当于为氨基酸衍生物生产装上了‘智能引擎’。”谢希贤形象地比喻，其核心是设计和构建“微生物细胞工厂”——把微生物改造成微型化工厂，让它们定向、高效地生产目标产物。

具体如何操作？谢希贤团队的研究给出了清晰路径。首先要“画图纸”，即解析目标氨基酸衍生物的天然合成路径，或从头设计更高效的人工合成路径。“比如我们想生产稀有氨基酸衍生物——麦角硫因，就得弄清楚它在某些真菌中的合成步骤，哪些酶在其中起作用。”谢希贤说。

接着是“搭工厂”，即利用CRISPR等基因编辑工具，将负责催化反应的关键基因导入大肠杆菌、酿酒酵母等底盘微生物中，同时抑制微生物自身消耗原料的旁路代谢，确保微生物“吃”进去的营养，都尽可能转化成目标产物。

最后是“搞生产”，在发酵罐中为改造后的微生物提供葡萄糖等廉价碳源，并控制好温度、pH值等条件，让它们在温和环境中“努力工作”，大量合成目标产物。

相比传统方法，这种生产方式堪称具有颠覆性优势。

“效率和成本是最直观的突破。”谢希贤举例，团队曾通过合成生物技术优化麦角硫因的生产路径，使其发酵产率从过去的毫克/升级别提升到克/升级别，实现了量级突破。“这意味着成本大幅下降，原本只能用于高端产品的成分，现在有机会用于普通产品。”谢希贤说。

在环保层面，合成生物技术更是“绿色标杆”。“微生物能够利用玉米等生物质原料进行生产，不依赖化石资源；反应在常温常压下即可进行，能耗低，且几乎不产生污染物。”谢希贤强调，这完全契合化妆品行业对天然、安全、可持续的追求。

此外，生物合成技术生产氨基酸衍生物，其安全性和纯度也更有保障。“传统以动植物为原料的生产方式，可能因原料本身携带病原体，或原料自身含有的特定蛋白质等成分，导致最终产品混入这些可能引发人体感染或过敏反应的物质，而合成生物技术采用的封闭发酵系统能从源头切断这类风险。同时，通过基因调控还能减少副产物，让产物纯度更高、功效更稳定。”谢希贤补充道，更值得期待的是，合成生物技术还能通过设计全新的合成路径，生产自然界中不存在但功效更优异的氨基酸衍生物，为化妆品原料创新打开无限空间。

规模化应用需突破多重关卡

如今，由合成生物技术生产的氨基酸衍生物已由实验室里的样品加速走向消费者的梳妆台。

“麦角硫因就是典型例子。”谢希贤介绍，这种氨基酸衍生物凭借其超强的抗氧化能力，已成为各大品牌高端抗衰老线的标配。“很多产品会特意标注‘合成生物来源’，以此凸显原料的高品质和科技感。”谢希贤说。

重组胶原蛋白则是另一大“明星”产品。与传统动物源胶原蛋白相比，合成生物技术生产的重组胶原蛋白与人体序列更匹配，无病毒风险，且生物相容性好。“相关产品上市后迅速占领市场，现在很多医美面膜、修复精华中都含有重组胶原蛋白。”谢希贤说。此外，具有抗敏感性的γ-氨基丁酸、抗逆保湿的四氢嘧啶、长效锁水的γ-聚谷氨酸等氨基酸衍生物，也已通过合成生物技术实现量产，成为功效型化妆品的常用原料。

“可以说，合成生物技术驱动的氨基酸衍生物市场正处于高速增长期。”马倩指出，但要让氨基酸衍生物实现更大规模、更低成本的应用，还有几道关卡需要突破。

首先是底盘菌株的优化难题。“理想的‘细胞工厂’需要具备代谢路径清晰、遗传稳定、抗逆性强等特点，但很多天然生产菌株难以进行改造，同时常用的大肠杆菌、酵母在表达复杂合成路径时，又容易‘累着’——代谢负担过重会导致其生长变慢、产物减少，甚至因产物毒性死亡。”马倩坦言，如何让菌株“更能干、更扛造”，是团队目前的研究重点。

其次是关键酶的性能瓶颈。“合成路径中的酶就像生产线上的工人，但很多天然酶要么‘挑活’——底物特异性太强，要么‘效率低’——催化反应慢，甚至‘不知道怎么工作’——作用机制不明。”马倩解释，虽然可以通过基因编辑优化酶的性能，但要同时提升其活性、稳定性和表达量，难度极大，这是限制产物产量提升的核心障碍之一。

再次是从实验室到工厂的“放大效应”也不容忽视。“小试时菌株表现很好，但放到几十吨的大发酵罐里就可能‘水土不服’。”马倩举例，大罐中氧气、温度、pH值分布不均，可能导致微生物代谢紊乱。如何优化发酵工艺，让大规模生产的产量和稳定性与小试一致，是产业化的关键挑战。

此外，研发和纯化成本也需控制。“前期菌株研发要经过‘设计—构建—测试—学习’的反复循环，耗时耗力；发酵后的产物纯化步骤复杂，成本往往占总成本的一半以上。”马倩认为，未来需要通过自动化设计工具缩短研发周期，开发更高效的纯化技术，才能进一步降低成本。

尽管挑战重重，但专家们对合成生物技术在氨基酸衍生物生产方面的应用前景仍充满信心，他们相信随着基因编辑技术的进步、发酵工艺的优化，这些难题会逐步被攻克。谢希贤和马倩都认为，合成生物技术不仅会为化妆品行业提供更多安全高效的原料，更将推动整个美妆产业向绿色、可持续方向转型。

“未来，消费者用到的每一瓶护肤品，都可能凝结着合成生物技术的智慧，这是科技进步对美好生活的助力。”谢希贤表示。