生物合成技術——綠色工藝及產品價值的體現

BIO China,全稱“上海國際生物發酵產品與技術裝備展覽會”,創辦于2013年,至今已連續舉辦7屆,成為行業探討、技術交流、人脈拓展、品牌宣傳、客戶服務等一站式交流平臺。展覽內容主要圍繞發酵工程、生物工程、細胞工程、蛋白質工程、生物制藥、生物飼料、生物農藥、生物肥料、生物化工、食品發酵、益生制品等行業的新技術、新工藝、新裝備為展示內容,打造集“展示、貿易、交流、商務”為一體的“生物發酵技術產業鏈、形式多樣的配套會議及活動,涉及學術研討、商務對接會、技術論壇、商貿懇洽會、專場技術交流會、科研成果洽談會、新品發布會、評選頒獎等,打造高度國際化的社交生物發酵生態圈。


2020年第八屆Bio China成功在上海新國際博覽中心舉辦,作為由中國生物發酵產業協會主辦的一場盛會,展會同期也舉辦了一系列代表行業領域發展前沿的交流會議。本期內容就和大家做一個簡要分享。






生物合成體現綠色生產理念


化學品的制備總是會讓人聯想到化學合成方法,但這種方法也存在合成工藝復雜、生產過程產生較大污染的問題。因此,相關人員通過不斷地研究、實踐,逐漸將生物合成技術應用于化學品的合成,實現了化學品合成工藝的簡化和環境友好,體現了綠色生產的理念。


MPCA合成模塊的構建和優化


綠色生產也是中國科學院微生物研究所吳邊博士奉行的宗旨,在他的報告中,介紹了5-甲基吡嗪-2-羧酸(MPCA)在目前工業上一種常見的化學合成方法,提出其存在工藝復雜、產物產率純度低、污染環境等問題,不符合綠色生產理念。因此,吳博士團隊以該路線為核心,逆向推導、細化,將其分為不同的合成模塊,再將生物合成技術運用到各個模塊中,最終實現了生物技術合成MPCA的方法,解決了化合方法存在的一系列問題,凸顯了生物合成技術在綠色生產中的重要性。





生物合成在高值化合物領域的應用



唾液酸(Sialic acid,SA)是九碳糖神經氨酸?;锏目偡Q,學名“N-乙?;窠洶彼帷?,是大腦神經節苷脂的重要組成部分,具有“誘導”和阻止病菌入侵的作用;它通常位于細胞膜最外層的糖類部分和分泌的糖復合物(糖脂,糖蛋白和多脂糖)的關鍵位置,是糖復合物結構和功能多樣化的重要物質基礎。由于燕窩中唾液酸含量高達7%-11%,所以唾液酸又稱為燕窩酸。



Neu5Ac已有制備方式分類(節選自陳獻忠教授報告《微生物合成生物制造高值化學品-以化妝品原料和唾液酸為例》)

但在江南大學生物工程學院陳獻忠教授的研究中,這種燕窩中含有的高價值成分卻是通過微生物合成的。陳教授以Neu5Ac、α-熊果苷為例,向與會人員展示了其利用微生物體系構建方式替代天然提取、化學合成制備高價值化合物的研究進展,并展示了部分產業化應用前景,凸顯了在高值化合物領域應用生物合成技術的重要產業價值。





生物合成創造天然產物的納米增效


蝦青素蝦青素


蝦青素(Astaxanthin,ASTA)是類胡蘿卜素的一種,有抑制腫瘤發生,增強免疫力,清除體內自由基等多方面的生理作用,對紫外線引起的皮膚癌有很好的治療效果,對糖尿病引起的眼病也有防治作用。雖然蝦青素具有多種生理活性,但也存在一些較難處理的缺點,如不穩定性,尤其對光極不穩定,蝦青素在光照下易變質,這也是其它一些天然產物的通病,導致了天然產物的產業價值無法快速提高。


結晶狀的大麻二酚結晶狀的大麻二酚


大麻二酚(Cannabidiol, CBD),是藥用植物大麻中的主要化學成分,提取自雌性大麻植株,是大麻中的非成癮性成分,具有抗痙攣、抗焦慮、抗炎等藥理作用。大麻二酚不僅可以作用于多種疑難疾病的治療,還可以有效地消除四氫大麻酚對人體產生的致幻作用,被稱為“反毒品化合物”。大麻二酚也存在一定的缺點,其中最令研究人員頭疼的就是它的生物利用度不高,被細胞吸收后活性維持時間較短,基本上12小時后就會失效。


北京化工大學生命科學與技術學院梁浩教授針對天然產物存在的一些問題進行了相關研究,發現將天然產物制備成納米級的產品時,能夠有效地改善其穩定性,提高功效。梁教授團隊將蝦青素制備成納米乳形式,對其進行測試,結果發現蝦青素納米乳穩定性較游離蝦青素高,在同一光照條件下,游離蝦青素完全變質失活,而蝦青素納米乳基本無變質現象,且生理活性較強;該團隊還制備了一種大麻二酚的納米乳產品,稱為CANACTIVE, 該產品被細胞吸收后發揮效用超過了12小時,較于大麻二酚在12小時后基本無效用,CANACTIVE具有更持久的活性作用。梁教授及其團隊的研究向我們展示了天然產物改造后的優勢,彰顯了在天然產物領域應用生物合成技術的重要價值。





pET系統


不論用何種方式合成天然產物,產量一直都是生產者最關注的點。傳統的生物合成方法通常是一種酶運用一套工藝的模式,這也導致了有些時候產物產量較低,不符合生產者的初衷。
針對這一問題,中國科學院分子植物卓越創新中心合成生物學重點實驗室的楊晟研究員為我們作了簡單的報告,提出了一種pET系統,實現了天然產物的高產。pET系統簡單來說就是一種轉基因技術,通常將相關基因轉入如大腸桿菌等易于生長繁殖的高產菌體內,再使其用于工業生產。這一技術實現的關鍵就在于合成酶(生產工具)與底盤細胞(載體)的適配,楊主任團隊則是利用了相關的酶基因與需鈉弧菌(高產菌)重組,實現了產物的高產。通過pET系統可以看出,在生產天然產物的過程中,生物合成技術也起到了至關重要的作用。



結語

BIO CHINA 2020不僅展現了目前先進的生物合成設備及產品,還豐富了我們對生物合成技術的知識儲備。隨著科學技術的不斷發展,生物合成方法也被廣泛應用于工業生產中,在陳獻忠教授、吳邊博士所作的報告中,我們可以非常清楚地認知到生物合成技術是一種綠色生產技術,從綠色原料出發,到綠色技術的使用,最后到綠色產品的產出,這一整個綠色工藝流程也一直是我們唯鉑萊遵循的理念和宗旨,專注天然產物,綠色生產,唯愛而來。


除了綠色生產這一理念,我們更注重產品本身的產量及其表現出來的功效。產品產量能夠影響企業的發展,功效決定了企業的口碑。在梁浩教授及楊晟研究員的報告中,我們對于產品的運用也有了新的理解,從合成工藝入手,改良部分技術,提高產量;再從產品本身入手,對其及衍生物作相關的了解,擴大產品的應用范圍,提高產品價值,這也是我們一直以來追求的目標。




(本文內容整理自BIO CHINA 2020報告會議,若有不足之處,歡迎指正)
封面圖源:網絡


唯鉑萊 唯鉑萊官方網站