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中国工程院院士陈坚:生物制造是化妆品原料发展的必然趋势

陈坚 2022-08-26 10:14:37 221

整理|江海晴


近期,由广东省化妆品学会主办,广东省科学技术协会、广州市白云区人民政府指导,美妆网、珠海市大美湾化妆品创新研究院、广州白云美湾科技发展有限责任公司承办的2022第六届中国(白云美湾)化妆品国际高峰论坛圆满落幕。

会上,中国工程院院士、江南大学原校长陈坚发表《合成生物学技术驱动化妆品原料的生物制造》的主题分享。

以下为演讲实录:

01
化妆品原料的生物制造典例

首先,谈几个例子,让大家更多地,了解关于发酵工程,特别是合成生物学的一些作用。

①透明质酸/玻尿酸

2021年透明质酸的全球销售额大概是85亿美元,不同的分子量的透明质酸有不同的功效。例如,超高分子量的(>300万 Da)能填充和润滑关节,高分子量的(100万-300万 Da)能保湿和增稠,中分子量的(10万-100万 Da)能持久保湿、皮肤屏障,低分子量的(<10万 Da)深层保湿、抗炎、修复,透明质酸寡聚糖(<1万 Da)能促进伤口愈合、肠胃修复、抗氧化。

目前,我的团队进行的研究工作,第一个是中高分子量透明质酸的发酵功能技术,包括微生物的选育,发酵过程的优化。我们要不断地进行一些条件的控制,最终实现工业化生产。

关于小分子量,首先是酶法生产。以前我们会采用一些物理、化学或者传统的酶法进行生产,它的问题就是分子量不可控、分布比较广,影响性能。我们从水质里获得酶的基因,转到酵母里去,让它分泌表达得到酶。用酶水解大分子量的透明质酸,这个水解是可控的,用以制备特定分子量,可以生产不同分子量的透明质酸,最低的可以达到800 Da。

更进一步的是小分子量的一步发酵法。首先,我们在理论上进行研究,通过技术的改进,可以使得小分子量透明质酸与发酵法生产达到每升74克的生产量,分子量大概5万 Da。

不仅如此,我们还对整个糖胺聚糖分子量进行调控——通过积累、发酵、切割,实现糖酶改造和透明质酸分子量的全覆盖。我们可以既生产出超高分子量(500万 Da),也可以得到很低的分子量(750-800 Da)。

硫酸软骨素

硫酸软骨素具有保湿、抑菌、抗炎等功效,用在一些抗衰老的化妆品中。传统是从动物组织里进行提取,它的问题是原料受限制、交叉感染、组分比较复杂、均匀性比较差、分子量比较难控制。

现在采用微生物发酵直接生产,我们是最早在国际上直接生产硫酸软骨素的团队。它能够实现磺酸化修饰、精准、可控、分子量均匀完整。具体包括:酵母细胞工厂构建,把微生物细胞构建得更好;然后是分子鉴定,确定产生的物质是哪一种硫酸软骨素;接着是途径优化,做高产量;最后是发酵合成。

四氢嘧啶

四氢嘧啶的功效是保护生物大分子、保持皮肤的湿润、抗衰老、防晒、适应极端环境等。我们的主要工作,一是对微生物(左下角)的合成途径进行重构,也是对微生物细胞工厂进行改造;二是通过途径关键基因鉴定及组合强化拉动代谢流,使它的产量更高;三是采用一些技术,如分批补料等进行高效发酵生产。发酵生产,比如说葡萄糖为唯一碳源,不需要氨基酸的添加,稳定性比较好。

胶原蛋白

胶原蛋白是化妆品现在比较时兴的,它是动物结缔组织里分布最广的功能蛋白,以纤维胶原为主,化妆品行业可以应用于护肤品面膜等。传统是从动物中提取,存在一些问题。所以,我们通过生物技术获得性能优良、产品稳定的重组人胶原蛋白,生物效用性更好。

我们的工作就是把从动物提取的东西转到微生物发酵生产。基于性能优良的胶原蛋白序列特征,在人源胶原蛋白序列库中挖掘潜在序列进行重组表达,实现了3条新人源胶原蛋白序列在微生物中的功能表达。而人源重组胶原蛋白结构功能改进是针对人源重组胶原蛋白的构效关系,对胶原蛋白序列进行了改进,并用于制备胶原蛋白海绵、胶原蛋白膜和胶原蛋白水解肽,优化其在化妆品和食品中的特定应用特性。

白藜芦醇

上述例子都是从动物生产转到微生物,白藜芦醇则是从植物提取转到微生物。我们采用生物技术,将原来的动物提取或者植物提取的东西转到微生物里生产。

白藜芦醇是一类多酚类化合物,原来存在于葡萄、花生和一些中草药中,具有抗肿瘤、抗衰老的一些作用,在化妆品中的作用是抗氧化,减少黑色素的形成,激活多种转入因子的活性,延长细胞的生命周期,减少一些炎症反应。现在它已经在一些洗面奶、手霜里进行应用。

我们对它的主要研究,首先是构建微生物细胞,再进一步进行发酵。实际上就是两大要素:细胞在生物技术里相当于它的芯片,把细胞建好,然后把细胞放到反应器里进一步生产。

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▲中国工程院院士、江南大学原校长陈坚

以上都属于生物制造技术相关的部分化妆品原料(组分),香精香料没有包含其中。它们都可以用生物技术方法生产,有一部分已经产业化,有一部分正在产业化,还有一部分正在实验室开发和产业化的路上。

再进一步说品牌,用二列酵母发酵产物、酵母提取物、酵母发酵滤液等,都是生物制造的东西,只不过用了不同的名称。生物制造化妆品具有天然属性,安全性比较好,而且可以获得一些独特的功效,特别受青睐。

来源于动植物的化妆品原料有许多具有比较复杂的分子结构,所以天然植物提取方法存在的问题是含量低、植物收获导致的季节性、不可控制的农药和重金属、农药残留污染。而化学合成法的合成路径长、条件复杂、产品得率低、环境污染大。高成本限制了很多化妆品原材料的开发,所以生物制造是必然的趋势。

02
化妆品原料的生物制造过程与要素

总体来说,生物制造化妆品一般是用一些生物质原料或者中间体,通过在反应器当中或者发酵罐,通过微生物细胞或者酶把它转化成各种化妆品原料,甚至有些直接作为产品。

发酵过程,第一步是微生物种子培养,第二步是原料加工,第三步是发酵,包括反应器、控制系统,要保证微生物在最佳、最适合它的条件下生长和代谢。第四步是产品的分离提取,不同的产品可能有不同的分离方法。

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从化妆品研发的要素来看,集中有三个方面:第一是生产菌种的改造,方法包括传统的诱变育种、现在的代谢工程、合成生物学和定向净化等。第二是发酵/酶转化过程优化与控制,让微生物生长、产生我们所需要的产物,并处在一个最佳的条件下。此外,还要考虑怎么把它从发酵液里提取分离出来。第三是酶的转化,最重要的研究,一是新酶的挖掘与设计改造;二是关于高效的表达系统开发与发酵优化,首先要高效地在细胞里表达出来,然后发酵获得这个酶;三是酶的转化和应用,很多化妆品里都是用各种短肽,而很多肽就是用酶法转化的,有很多功能。

从工业的角度看,发酵有三个问题,分别是产量、效率、强度。它们的核心涉及到细胞工厂的构建,而构建最重要的就是用现代的合成生物学技术构建细胞。

03
化妆品原料生物制造的发展:合成生物学

生物科学里有很多研究的方法论,过去的很多都是按照还原论的思想。但是,合成生物学是按照整体论的哲学,从局部的设计组装到整体,强调系统优化,整体大于局部之和。当然,它有基础。正如一位诺贝尔奖获得者所说:如果说你真正了解汽车,你把它造出来是最好的了解,你做的过程中就必须全部了解。

我们现在认为合成生物学是新的生命科学的前沿,它主要是从理解生命规律到设计生命体系。在生物技术里有几个很重要的内容,比如DNA双螺旋结构、中心法则、分子生物学及系统生物学,现在开始是合成生物学。这是一个过程,它是在前面的基础上不断发展起来的。

合成生物学有几方面重要的内容:一是基因编辑技术,实现从单基因到多基因的边界,获得了诺贝尔奖。二是人工合成基因组,它实际上是用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系。

我想强调的是,2010年以后,出于三个方面的原因:一是DNA测序、合成和筛选的成本大幅度降低,二是基因组编辑的工具非常成熟而且应用非常多,三是一些生物信息学的发展及人工智能的应用,人工智能预测蛋白质的结构预测得准确,已经达到2亿个。所以,一批可以改变整个生物产业的重大技术在不断出现。

以青蒿素为例,屠呦呦女士从青蒿里将青蒿素提取出来,获得诺贝尔奖,这是过去的研究。实际上,从2013年开始,美国和法国的科学家就把青蒿里产生的基因确定出来以后,转到酵母、微生物里去进行发酵生产,发酵生产青蒿酸,再进一步产生化学反应。100立方的发酵罐产生的青蒿素近5万亩种植产量,这是它的颠覆性。

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化妆品原料的细胞工厂构建合成生物学技术,我们认为今后肯定是三个方面:一是快速实现已知化妆品原料的制造。二是已知但目前不容易获得的化妆品原料制造。三是具有新性能未知的化妆品原料制造。

最后,我想以《Nature Biotechnology》于2022年5月16日发布的一篇文章的观点作为结束语,它的题目也是“化妆品:生物技术优于天然”。

第一,合成生物学可以加快创新。
第二,开发其他生物技术产品通常需要十年甚至更长的时间,而化妆品采用合成生物学技术可能只要几个季度或一年不到。
第三,更快的创新意味着更快的产品迭代、更强的增长潜力以及更具想象力的市场空间。


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