來源：《科技日報》第06版 生物
發(fā)布時間：2025-07-30
◎本報記者 張 蘊
當消費者擰開一瓶面霜，撲面而來的香味不僅愉悅感官，而且蘊含著尖端生物科技的結(jié)晶——通過合成生物學(xué)技術(shù)精準制造的萜類香料。從薰衣草的舒緩花香到檸檬的清新果香，從檀木的沉穩(wěn)氣息到薄荷的清涼之氣，萜類香料正悄然改寫護膚品行業(yè)的氣味密碼。
近日，記者采訪了中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物技術(shù)研究部研究員周雍進團隊，揭秘“酵母工廠”在萜類香料制造中的應(yīng)用與發(fā)展。
兼具香氣和生理功效
萜類香料是可作為香料使用的萜類化合物，它是以異戊二烯為基本單元的天然分子，堪稱自然界賦予人類的嗅覺寶藏。“這些異戊二烯單元像樂高積木一樣，通過不同組合方式，可形成結(jié)構(gòu)多樣、香氣迥異的萜類香料?！敝苡哼M說。
團隊成員張夢瑤介紹，在個護產(chǎn)品中，萜類香料堪稱感官與功能的“雙料冠軍”。首先，它們是極致嗅覺體驗的締造者，比如芳樟醇能還原鈴蘭的清澈花香，香葉醇具有玫瑰的甜蜜芬芳，而檸檬烯能帶來鮮活的柑橘調(diào)。更重要的是，許多萜類香料還兼具生理功效。例如，胡椒中提取的β-石竹烯，既有溫暖的木質(zhì)辛香，又能抗菌抗炎，還能促進有效成分透皮吸收；德國洋甘菊中的紅沒藥醇，不僅散發(fā)著甜美的花香，還具備舒緩抗炎的功效。這種“香氣+功效”的雙重特性，使它們成為功效型護膚品的理想成分。
萜類香料合成的核心是兩種關(guān)鍵前體，即異戊烯基焦磷酸和二甲基烯丙基焦磷酸。自然界的生物可以通過代謝途徑獲得這兩種前體，從而自主合成萜類香料。周雍進介紹，第一條是甲基赤蘚糖醇磷酸途徑，常見于細菌等原核生物中，以丙酮酸和3-磷酸甘油醛為代謝起點；第二條是甲羥戊酸途徑，常見于酵母等真核生物中，以乙酰輔酶A為代謝起點。但生物自主合成的萜類香料產(chǎn)量較低，難以滿足消費者需求。
傳統(tǒng)生產(chǎn)中，人們多采用化學(xué)方法合成萜類香料。
化學(xué)合成萜類香料主要有兩大路徑。首先是半合成路徑，以天然萜類為起始原料，通過官能團轉(zhuǎn)化和骨架重排來制備萜類香料。第二種是全合成路徑，即直接從異戊二烯、乙炔等簡單小分子出發(fā)，經(jīng)多步反應(yīng)構(gòu)建萜類香料所需的分子骨架。但傳統(tǒng)化學(xué)合成萜類香料也存在一些問題，周雍進介紹，化學(xué)合成路徑雖已成熟，但其立體構(gòu)型控制困難、副產(chǎn)物繁雜，且合成依賴石化原料。
生物合成優(yōu)勢顯著
隨著消費者對天然綠色產(chǎn)品需求的日益增長，合成生物學(xué)技術(shù)正為萜類香料的生產(chǎn)開辟新途徑。
“我們可以將酵母細胞看作微型工廠?！睆垑衄幷f，通過基因編輯技術(shù)，將特定的萜類合酶基因?qū)虢湍讣毎@就好比為這座工廠安裝了全新的“生產(chǎn)線”。由萜類合酶基因表達產(chǎn)生的萜類合酶能夠在細胞內(nèi)部精準地合成單一構(gòu)型或是特定組合的萜類香料分子。與此同時，通過對酵母細胞的代謝網(wǎng)絡(luò)進行改造，能夠優(yōu)化“原料供應(yīng)鏈”，最終達成高純度萜類香料的綠色化生產(chǎn)。
張夢瑤告訴記者，相較于傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，生物合成路徑具有多重顯著優(yōu)勢。一是具備精準制造能力。萜類合酶就像分子級的“3D打印機”，能精確直接獲得單一構(gòu)型，而化學(xué)法往往需要復(fù)雜的拆分純化步驟。二是擁有創(chuàng)新設(shè)計潛力?？蒲腥藛T通過改造萜類合酶，已成功讓微生物生產(chǎn)出自然界中含量極低的檀香醇、諾卡酮等珍稀香料，甚至還創(chuàng)造出全新結(jié)構(gòu)的非天然萜類分子。三是具有柔性生產(chǎn)特性。周雍進團隊通過簡單高效的代謝轉(zhuǎn)化策略，能夠讓同一株酵母成為生產(chǎn)多種不同萜類香料的“多面手”，這種靈活性傳統(tǒng)化工廠難以企及。此外，生物合成能使用可再生原料，并可在常溫常壓的水相中進行溫和反應(yīng)，綠色環(huán)保。
這些優(yōu)勢表明，生物合成萜類香料不僅僅是傳統(tǒng)合成方法的替代，更是推動香料產(chǎn)業(yè)向精準化、個性化、可持續(xù)發(fā)展方向邁進的重要引擎。
產(chǎn)業(yè)化任重道遠
雖然生物合成萜類香料具有諸多優(yōu)勢，但是其產(chǎn)業(yè)化仍然任重道遠。
“從實驗室的‘能做’到工廠的‘能賺’，中間隔著一道需要多學(xué)科協(xié)同跨越的產(chǎn)業(yè)鴻溝。”周雍進說。
他坦言，這個轉(zhuǎn)化過程需要3個環(huán)節(jié)的深度協(xié)同。首先是通過代謝工程改造手段，提升菌株的工業(yè)適應(yīng)性和生產(chǎn)穩(wěn)定性；其次是運用發(fā)酵工程技術(shù)，解決規(guī)?；a(chǎn)中的工藝控制和放大問題；最后還需要應(yīng)用化工技術(shù)，在控制成本的同時優(yōu)化下游分離純化流程。
“需要特別強調(diào)的是，生物制造產(chǎn)業(yè)化絕非簡單的工藝放大。它要求我們從最初的菌株設(shè)計階段，就要統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)成本、工藝可行性和市場競爭力。換句話說，我們既要算明白‘菌株代謝賬’，更要算好‘經(jīng)濟生產(chǎn)賬’?！敝苡哼M說。
他認為，從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，首先是要突破成本競爭力，核心是要提升工程菌株的產(chǎn)物滴度、生產(chǎn)速率和底物得率；其次，必須提升工程菌株的遺傳穩(wěn)定性和工業(yè)魯棒性，確保其在長期、大規(guī)模生產(chǎn)中能夠保持優(yōu)良表型；此外，穩(wěn)定的原料供應(yīng)、成熟的銷售渠道和法規(guī)認證體系等產(chǎn)業(yè)化配套條件也是不容忽視的。
【鏈接】
生物合成萜類香料面臨雙重挑戰(zhàn)
當前萜類香料的生物合成面臨著“上游菌株構(gòu)建”與“下游放大生產(chǎn)”的雙重挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物技術(shù)研究部研究員周雍進坦言，在上游環(huán)節(jié)，萜類合酶的挖掘與改造是核心課題。這些生物催化劑決定了最終萜類香料的結(jié)構(gòu)與香氣特性。同時，萜類香料及其中間體對微生物底盤細胞的毒性效應(yīng)不容忽視。它們通常會破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，干擾正常的細胞活動，可能影響萜類香料的可持續(xù)生產(chǎn)。
周雍進介紹，通過海量基因組數(shù)據(jù)結(jié)合高通量自動化技術(shù)，可大幅提升萜類合酶的挖掘效率。同時，蛋白質(zhì)理性設(shè)計和定向進化策略可有效突破微生物異源合成的產(chǎn)量瓶頸。
“此外，可以通過多策略組合應(yīng)對毒性挑戰(zhàn)?！眻F隊成員張夢瑤說，“模塊化基因線路設(shè)計、動態(tài)調(diào)控策略、利用細胞器區(qū)室化隔離有毒中間物，以及強化轉(zhuǎn)運工程促進產(chǎn)物外排等，都是有效手段?！?/p>
“下游的挑戰(zhàn)則主要集中在工藝適配性方面。萜類香料的揮發(fā)性會對傳統(tǒng)設(shè)備造成腐蝕。開發(fā)耐腐蝕新材料和專用氣相捕集系統(tǒng)成為破局關(guān)鍵。”周雍進說。
以下是該媒體報道地址：https://epaper.stdaily.com/statics/technology-site/index.html#/
