利用合成生物學(xué)方法，廉價(jià)的海洋生物紅藻搖身一變成為價(jià)格昂貴的稀有人參皂苷。近日，華南理工大學(xué)這一“點(diǎn)石成金”的研究成果榮獲國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽（iGEM）金獎(jiǎng)。該項(xiàng)賽事是合成生物學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)性競(jìng)賽，很多科研成果通過賽事獲得資本關(guān)注，得以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

紅藻何以“變出”原本只有人參體內(nèi)才有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)？這項(xiàng)發(fā)明將對(duì)哪些產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響？近日，《廣州日?qǐng)?bào)》科技周刊記者武威采訪了科研團(tuán)隊(duì)，下面就跟著他一探究竟。

痛點(diǎn)：稀有人參皂苷價(jià)值高難獲得

人參自古以來(lái)就被國(guó)人認(rèn)定是滋補(bǔ)佳品，現(xiàn)代循證科學(xué)表明，人參皂苷是人參體內(nèi)重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一。其中，兩類稀有人參皂苷Rh1和Rh2功效尤為顯著。

華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教授婁文勇告訴記者，稀有人參皂苷Rh1具有很強(qiáng)的抗氧化性，常被用在化妝品領(lǐng)域，是很多高端化妝品的核心原料。它還有很強(qiáng)的藥用價(jià)值，人體內(nèi)的自由基對(duì)心血管內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生比較大的傷害，而稀有人參皂苷可以有效清除自由基，保護(hù)心血管。此外，它還有抗癌的功效。

稀有人參皂苷試劑

稀有人參皂苷Rh1在人參中含量極低，這一物質(zhì)屬于人參自身代謝產(chǎn)生的亞產(chǎn)物，人參體內(nèi)含量?jī)H有萬(wàn)分之一。如果用傳統(tǒng)方法，僅種人參就需要5年，要想提純出稀有人參皂苷，成本和技術(shù)投入更是巨大。

“目前市場(chǎng)上1克稀有人參皂苷的價(jià)格是2萬(wàn)元，遠(yuǎn)超黃金。要讓稀有人參皂苷變成廣大消費(fèi)者用得起的商品，光靠農(nóng)業(yè)種植提取顯然不現(xiàn)實(shí)，一定要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，這讓我們想到了用合成生物學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)?！比A南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教授吳曉玲說。

難點(diǎn)：將紅藻變?yōu)橄∮腥藚⒃碥?/strong>

婁文勇介紹，選擇生長(zhǎng)于海洋的紅藻進(jìn)行稀有人參皂苷生產(chǎn)出于多方面考慮——首先，原料廉價(jià)易得，全球海洋藻類生物總量已達(dá)3500萬(wàn)噸，尤其在中國(guó)，海洋藻類資源非常豐富。其次，紅藻體內(nèi)有接近70%的碳水化合物，比常見的玉米等糧食作物含量還要高，用其做原料比使用糧食更經(jīng)濟(jì)。再次，紅藻內(nèi)碳水化合物經(jīng)過水解后，產(chǎn)生的兩種特殊有機(jī)物將成為人工改造的釀酒酵母的“糧食”，經(jīng)過一系列代謝通路后，就可以合成稀有人參皂苷Rh1。

代謝通路仿佛是一條“高速公路”，需要對(duì)酵母體內(nèi)的酶進(jìn)行基因編輯和改造，從而暢通整條“高速公路”，最終達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)稀有人參皂苷Rh1的目的。

“要提高整條代謝通路上各種關(guān)鍵酶的活性，需要通過定點(diǎn)突變、定向進(jìn)化等手段，將代謝通路上各種關(guān)鍵酶的活性和穩(wěn)定性提升上來(lái)，讓這些經(jīng)過改造的酶可以順利與紅藻底物發(fā)生反應(yīng)。”婁文勇說，團(tuán)隊(duì)通過引入5個(gè)核心酶基因，最終實(shí)現(xiàn)了從紅藻底物到稀有人參皂苷的完整合成途徑?！俺艘牒诵拿富蛞蕴嵘钚?，我們還要提升酶的表達(dá)量，這就需要通過代謝工程改造整體提升酶代謝的能量供給?！眳菚粤嵴f。

稀有人參皂苷粉末

經(jīng)過一系列研發(fā)工作，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了“紅藻底物—工程酵母—高效合成Rh1”的綠色生物制造體系開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了稀有人參皂苷的低成本可持續(xù)生產(chǎn)。婁文勇說：“我們將釀酒酵母改造為‘細(xì)胞工廠’，構(gòu)建一套完整的底盤系統(tǒng)，再通過高密度發(fā)酵、分離純化等技術(shù)，就可以工程化地將紅藻底物合成為稀有人參皂苷Rh1?！?/p>

亮點(diǎn)：AI讓原先一年的活一個(gè)月干完

在實(shí)現(xiàn)“紅藻變?nèi)藚ⅰ钡倪^程中，人工智能發(fā)揮了非常重要的作用。

吳曉玲介紹，團(tuán)隊(duì)結(jié)合FBA代謝建模、AlphaFold2輔助酶篩選等實(shí)驗(yàn)手段大幅提升研發(fā)效率，并由此成功掌握了“AI輔助分子建模+酵母代謝工程改造+紅藻高值化利用”核心技術(shù)。

其中，F(xiàn)BA是一種基于數(shù)學(xué)建模分析代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物流動(dòng)的計(jì)算方法，可以預(yù)測(cè)生物體在特定條件下的代謝表型。利用FBA，團(tuán)隊(duì)可以模擬推算酵母細(xì)胞在不同環(huán)境狀態(tài)下合成稀有人參皂苷Rh1的產(chǎn)物生成速率。

AlphaFold在2024年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，它可以預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。“酶就是一種蛋白質(zhì)，合成生物學(xué)的關(guān)鍵，就是要將通路上關(guān)鍵的酶進(jìn)行定向突變，讓改造后的酶能在底盤細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生高活性。沒有AlphaFold之前，我們需要人工篩選很多酶的突變體，找到活性最高的那一個(gè)。有了AlphaFold，找到活性最高的酶就方便多了?？梢哉f，以前要一年才能完成的工作量，現(xiàn)在一個(gè)月就可以完成，方便我們可以有目標(biāo)、有針對(duì)性地改造酶?！眾湮挠抡f。

如今，?AlphaFold升級(jí)版?AlphaFold2的預(yù)測(cè)結(jié)果幾乎已達(dá)到?冷凍電鏡觀測(cè)水平，可解析幾乎所有已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

企業(yè)“種參”煩惱，引出紅藻“變身”的科研奇緣

在華南理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，吳曉玲教授向記者展示了曬干的紅藻干和已合成的稀有人參皂苷粉末。她表示，將紅藻干研磨成粉、水解、再經(jīng)過一系列生物合成的加工，實(shí)驗(yàn)室制作的稀有人參皂苷產(chǎn)量已達(dá)220mg/L。

“我們正在通過高密度發(fā)酵和優(yōu)化代謝調(diào)控，讓產(chǎn)量進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)每升溶液含約800毫克的稀有人參皂苷?！眾湮挠赂嬖V記者，未來(lái)，通過生物合成的稀有人參皂苷有望快速投入產(chǎn)業(yè)化。

回顧科研歷程，婁文勇表示，最初，廣州的一家化妝品企業(yè)找到團(tuán)隊(duì)，希望解決生產(chǎn)中遇到的難題，“企業(yè)最初希望我們能通過科研攻關(guān)，將人參皂苷轉(zhuǎn)化為稀有人參皂苷Rh1，這樣就能獲得更好的化妝品功效。我們了解到，企業(yè)為了獲得人參皂苷，一直在長(zhǎng)白山種植人參。但人參從種植到收獲需要很長(zhǎng)時(shí)間，還可能遭遇各種自然災(zāi)害等不確定因素，導(dǎo)致原料成本非常昂貴。且人參皂苷濃縮、提取技術(shù)存在難度，所以，我們想要從頭開始，用廉價(jià)的紅藻以及合成生物學(xué)方法直接合成稀有人參皂苷。”

“經(jīng)企業(yè)檢驗(yàn)，我們用合成生物學(xué)方法獲得稀有人參皂苷Rh1生產(chǎn)的化妝品，已與企業(yè)使用原始方法制成的化妝品功效一致?！眾湮挠卤硎?，未來(lái)，使用稀有人參皂苷制成的化妝品和保健品，有望“飛入尋常百姓家”。

iGEM大賽：誕生多家頂級(jí)合成生物學(xué)企業(yè)

國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽（iGEM）由美國(guó)麻省理工學(xué)院于2003年創(chuàng)辦，是合成生物學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)性競(jìng)賽。大賽以合成生物學(xué)為核心，涉及數(shù)學(xué)、工程學(xué)、信息科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域的交叉合作。

2025年國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽全球總決賽在法國(guó)巴黎舉行，大賽共有來(lái)自50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)超過400支隊(duì)伍參賽，總?cè)藬?shù)超過5000人。賽事不僅包含傳統(tǒng)的項(xiàng)目答辯、海報(bào)展示環(huán)節(jié)，還同步舉辦了合成生物學(xué)峰會(huì)、生物創(chuàng)新展等活動(dòng)，成為全球青年科研者交流前沿技術(shù)、對(duì)接產(chǎn)業(yè)資源的核心平臺(tái)。

紅藻干

團(tuán)隊(duì)成員站在巴黎賽場(chǎng)答辯舞臺(tái)上展示項(xiàng)目、交流心得，憑借“紅藻變?nèi)藚ⅰ表?xiàng)目獲得現(xiàn)場(chǎng)評(píng)委的高度評(píng)價(jià)并斬獲比賽金獎(jiǎng)。

值得一提的是，大賽銀獎(jiǎng)?lì)C給了華南理工大學(xué)另一個(gè)參賽項(xiàng)目“太空原位蛋白合成系統(tǒng)的構(gòu)建”。

多年來(lái)，iGEM的參賽項(xiàng)目已產(chǎn)生多家國(guó)際頂尖合成生物學(xué)企業(yè)。例如，2006年多位麻省理工學(xué)院學(xué)生參加iGEM比賽，他們的比賽項(xiàng)目是微生物生產(chǎn)香料成分，不久，他們就借此成立了公司GinkgoBioworks，如今，它已成長(zhǎng)為美國(guó)合成生物學(xué)領(lǐng)域的頂尖企業(yè)，公司總?cè)谫Y超過7.19億美元。

在中國(guó)，合成生物學(xué)企業(yè)——藍(lán)晶微生物也與iGEM有緣，創(chuàng)始人李騰和張浩千分別屬于清華和北大的兩支iGEM團(tuán)隊(duì)。藍(lán)晶微生物成立于2016年10月，目前是國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)、生物制造獨(dú)角獸企業(yè)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃承擔(dān)單位，產(chǎn)出發(fā)明專利等科技成果近百項(xiàng)。截至目前，藍(lán)晶微生物已完成了近13億元融資。

黨委宣傳部（融媒體中心）

信息來(lái)源：廣州日?qǐng)?bào)

文、圖：武威（除AI生成漫畫外）

微信編輯：鮑恩

初審：冀早早

復(fù)審：盧慶雷

終審：夏正林

華工原創(chuàng)，版權(quán)所有

若需轉(zhuǎn)載，敬請(qǐng)聯(lián)絡(luò)

郵箱：hgxcb@scut.edu.cn

“分享”“點(diǎn)贊”“在看”，記得一鍵三連哦