當前位置：中華健康網(wǎng) > 新聞資訊 >
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(tǒng)生產(chǎn)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(shù)，構(gòu)建“微生物細胞工廠”，不僅能提高氨基酸衍生物的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，還能實現(xiàn)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(lǐng)域研究，其最新發(fā)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(tǒng)闡述了合成生物技術(shù)在氨基酸衍生物生產(chǎn)方面的應用前景，為化妝品原料生產(chǎn)開辟了新路徑。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《合成生物學》期刊上。
堪稱護膚界的“多面手”
“氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，而氨基酸衍生物則是在氨基酸分子基礎(chǔ)上，通過化學或生物學方法進行結(jié)構(gòu)修飾后得到的化合物。”謝希賢解釋道，這種修飾可能是引入羥基、酰基等官能團，也可能是改變分子結(jié)構(gòu)。“相較于單一氨基酸，氨基酸衍生物的生理活性更豐富，應用性能更優(yōu)越，這也是它們能在化妝品領(lǐng)域脫穎而出的關(guān)鍵。”謝希賢說。
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(guān)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(zhì)層修復、增強皮膚屏障功能。
然而，這樣的優(yōu)質(zhì)原料在合成生物技術(shù)興起前，卻面臨生產(chǎn)瓶頸。
天津科技大學生物工程學院副教授馬倩介紹，傳統(tǒng)氨基酸衍生物生產(chǎn)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(chǎn)方式存在明顯短板。”馬倩直言，天然提取方法依賴資源量，產(chǎn)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(zhì)，根本無法滿足化妝品生產(chǎn)需求。而化學合成方法雖能提升產(chǎn)量，但需要消耗大量化石原料，在反應過程中還會產(chǎn)生有毒有害的廢水、廢氣，既不環(huán)保，又可能讓產(chǎn)物殘留化學雜質(zhì)影響化妝品的安全性。更關(guān)鍵的是，通過傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的氨基酸衍生物穩(wěn)定性差，不同批次產(chǎn)品的功效波動大，這讓化妝品企業(yè)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(shù)的出現(xiàn)，相當于為氨基酸衍生物生產(chǎn)裝上了‘智能引擎’。”謝希賢形象地比喻，其核心是設(shè)計和構(gòu)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(chǎn)目標產(chǎn)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(shè)計更高效的人工合成路徑。“比如我們想生產(chǎn)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(guān)鍵基因?qū)氪竽c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(yǎng)，都盡可能轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物。
最后是“搞生產(chǎn)”，在發(fā)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(huán)境中“努力工作”，大量合成目標產(chǎn)物。
相比傳統(tǒng)方法，這種生產(chǎn)方式堪稱具有顛覆性優(yōu)勢。
“效率和成本是最直觀的突破。”謝希賢舉例，團隊曾通過合成生物技術(shù)優(yōu)化麥角硫因的生產(chǎn)路徑，使其發(fā)酵產(chǎn)率從過去的毫克/升級別提升到克/升級別，實現(xiàn)了量級突破。“這意味著成本大幅下降，原本只能用于高端產(chǎn)品的成分，現(xiàn)在有機會用于普通產(chǎn)品。”謝希賢說。
在環(huán)保層面，合成生物技術(shù)更是“綠色標桿”。“微生物能夠利用玉米等生物質(zhì)原料進行生產(chǎn)，不依賴化石資源;反應在常溫常壓下即可進行，能耗低，且?guī)缀醪划a(chǎn)生污染物。”謝希賢強調(diào)，這完全契合化妝品行業(yè)對天然、安全、可持續(xù)的追求。
此外，生物合成技術(shù)生產(chǎn)氨基酸衍生物，其安全性和純度也更有保障。“傳統(tǒng)以動植物為原料的生產(chǎn)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(zhì)等成分，導致最終產(chǎn)品混入這些可能引發(fā)人體感染或過敏反應的物質(zhì)，而合成生物技術(shù)采用的封閉發(fā)酵系統(tǒng)能從源頭切斷這類風險。同時，通過基因調(diào)控還能減少副產(chǎn)物，讓產(chǎn)物純度更高、功效更穩(wěn)定。”謝希賢補充道，更值得期待的是，合成生物技術(shù)還能通過設(shè)計全新的合成路徑，生產(chǎn)自然界中不存在但功效更優(yōu)異的氨基酸衍生物，為化妝品原料創(chuàng)新打開無限空間。
規(guī)模化應用需突破多重關(guān)卡
如今，由合成生物技術(shù)生產(chǎn)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。”謝希賢介紹，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。“很多產(chǎn)品會特意標注‘合成生物來源’，以此凸顯原料的高品質(zhì)和科技感。”謝希賢說。
重組膠原蛋白則是另一大“明星”產(chǎn)品。與傳統(tǒng)動物源膠原蛋白相比，合成生物技術(shù)生產(chǎn)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。“相關(guān)產(chǎn)品上市后迅速占領(lǐng)市場，現(xiàn)在很多醫(yī)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(shù)實現(xiàn)量產(chǎn)，成為功效型化妝品的常用原料。
“可以說，合成生物技術(shù)驅(qū)動的氨基酸衍生物市場正處于高速增長期。”馬倩指出，但要讓氨基酸衍生物實現(xiàn)更大規(guī)模、更低成本的應用，還有幾道關(guān)卡需要突破。
首先是底盤菌株的優(yōu)化難題。“理想的‘細胞工廠’需要具備代謝路徑清晰、遺傳穩(wěn)定、抗逆性強等特點，但很多天然生產(chǎn)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(chǎn)物減少，甚至因產(chǎn)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(guān)鍵酶的性能瓶頸。“合成路徑中的酶就像生產(chǎn)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。”馬倩解釋，雖然可以通過基因編輯優(yōu)化酶的性能，但要同時提升其活性、穩(wěn)定性和表達量，難度極大，這是限制產(chǎn)物產(chǎn)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(xiàn)很好，但放到幾十噸的大發(fā)酵罐里就可能‘水土不服’。”馬倩舉例，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(yōu)化發(fā)酵工藝，讓大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)量和穩(wěn)定性與小試一致，是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
此外，研發(fā)和純化成本也需控制。“前期菌株研發(fā)要經(jīng)過‘設(shè)計—構(gòu)建—測試—學習’的反復循環(huán)，耗時耗力;發(fā)酵后的產(chǎn)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(shè)計工具縮短研發(fā)周期，開發(fā)更高效的純化技術(shù)，才能進一步降低成本。
盡管挑戰(zhàn)重重，但專家們對合成生物技術(shù)在氨基酸衍生物生產(chǎn)方面的應用前景仍充滿信心，他們相信隨著基因編輯技術(shù)的進步、發(fā)酵工藝的優(yōu)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(shù)不僅會為化妝品行業(yè)提供更多安全高效的原料，更將推動整個美妝產(chǎn)業(yè)向綠色、可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型。
“未來，消費者用到的每一瓶護膚品，都可能凝結(jié)著合成生物技術(shù)的智慧，這是科技進步對美好生活的助力。”謝希賢表示。
（責任編輯：華康）
