“酵母工廠”改寫芳香密碼

◎本報記者 張 藴

當消費者擰開一瓶面霜，撲面而來的香味不僅愉悦感官，而且藴含着尖端生物科技的結晶——通過合成生物學技術精準製造的萜類香料。從薰衣草的舒緩花香到檸檬的清新果香，從檀木的沉穩氣息到薄荷的清涼之氣，萜類香料正悄然改寫護膚品行業的氣味密碼。

近日，記者採訪了中國科學院大連化學物理研究所生物技術研究部研究員周雍進團隊，揭秘“酵母工廠”在萜類香料製造中的應用與發展。

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，可形成結構多樣、香氣迥異的萜類香料。”周雍進説。

團隊成員張夢瑤介紹，在個護產品中，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。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，既有温暖的木質辛香，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，不僅散發着甜美的花香，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，常見於細菌等原核生物中，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，常見於酵母等真核生物中，以乙酰輔酶A為代謝起點。但生物自主合成的萜類香料產量較低，難以滿足消費者需求。

傳統生產中，人們多采用化學方法合成萜類香料。

化學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，通過官能團轉化和骨架重排來製備萜類香料。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，經多步反應構建萜類香料所需的分子骨架。但傳統化學合成萜類香料也存在一些問題，周雍進介紹，化學合成路徑雖已成熟，但其立體構型控制困難、副產物繁雜，且合成依賴石化原料。

生物合成優勢顯著

隨着消費者對天然綠色產品需求的日益增長，合成生物學技術正為萜類香料的生產開闢新途徑。

“我們可以將酵母細胞看作微型工廠。”張夢瑤説，通過基因編輯技術，將特定的萜類合酶基因導入酵母細胞，這就好比為這座工廠安裝了全新的“生產線”。由萜類合酶基因表達產生的萜類合酶能夠在細胞內部精準地合成單一構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絡進行改造，能夠優化“原料供應鏈”，最終達成高純度萜類香料的綠色化生產。

張夢瑤告訴記者，相較於傳統的化學合成方法，生物合成路徑具有多重顯著優勢。一是具備精準製造能力。萜類合酶就像分子級的“3D打印機”，能精確直接獲得單一構型，而化學法往往需要複雜的拆分純化步驟。二是擁有創新設計潛力。科研人員通過改造萜類合酶，已成功讓微生物生產出自然界中含量極低的檀香醇、諾卡酮等珍稀香料，甚至還創造出全新結構的非天然萜類分子。三是具有柔性生產特性。周雍進團隊通過簡單高效的代謝轉化策略，能夠讓同一株酵母成為生產多種不同萜類香料的“多面手”，這種靈活性傳統化工廠難以企及。此外，生物合成能使用可再生原料，並可在常温常壓的水相中進行温和反應，綠色環保。

這些優勢表明，生物合成萜類香料不僅僅是傳統合成方法的替代，更是推動香料產業向精準化、個性化、可持續發展方向邁進的重要引擎。

產業化任重道遠

雖然生物合成萜類香料具有諸多優勢，但是其產業化仍然任重道遠。

“從實驗室的‘能做’到工廠的‘能賺’，中間隔着一道需要多學科協同跨越的產業鴻溝。”周雍進説。

他坦言，這個轉化過程需要3個環節的深度協同。首先是通過代謝工程改造手段，提升菌株的工業適應性和生產穩定性；其次是運用發酵工程技術，解決規模化生產中的工藝控制和放大問題；最後還需要應用化工技術，在控制成本的同時優化下游分離純化流程。

“需要特別強調的是，生物製造產業化絕非簡單的工藝放大。它要求我們從最初的菌株設計階段，就要統籌考慮生產成本、工藝可行性和市場競爭力。換句話説，我們既要算明白‘菌株代謝賬’，更要算好‘經濟生產賬’。”周雍進説。

他認為，從實驗室走向產業化，實現大規模商業化應用，首先是要突破成本競爭力，核心是要提升工程菌株的產物滴度、生產速率和底物得率；其次，必須提升工程菌株的遺傳穩定性和工業魯棒性，確保其在長期、大規模生產中能夠保持優良表型；此外，穩定的原料供應、成熟的銷售渠道和法規認證體系等產業化配套條件也是不容忽視的。

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生物合成萜類香料面臨雙重挑戰

當前萜類香料的生物合成面臨着“上游菌株構建”與“下游放大生產”的雙重挑戰。

中國科學院大連化學物理研究所生物技術研究部研究員周雍進坦言，在上游環節，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構與香氣特性。同時，萜類香料及其中間體對微生物底盤細胞的毒性效應不容忽視。它們通常會破壞細胞膜結構，干擾正常的細胞活動，可能影響萜類香料的可持續生產。

周雍進介紹，通過海量基因組數據結合高通量自動化技術，可大幅提升萜類合酶的挖掘效率。同時，蛋白質理性設計和定向進化策略可有效突破微生物異源合成的產量瓶頸。

“此外，可以通過多策略組合應對毒性挑戰。”團隊成員張夢瑤説，“模塊化基因線路設計、動態調控策略、利用細胞器區室化隔離有毒中間物，以及強化轉運工程促進產物外排等，都是有效手段。”

“下游的挑戰則主要集中在工藝適配性方面。萜類香料的揮發性會對傳統設備造成腐蝕。開發耐腐蝕新材料和專用氣相捕集系統成為破局關鍵。”周雍進説。