合成生物学助维生素生产绿色高效

本文转自：科技日报

图为脂溶性维生素制剂。受访单位供图

【聚焦食品生物技术③】

◎本报记者 张佳星

随着生命科学研究的进步，维生素对于机体的作用正在不断被刷新。一些研究表明，某些维生素的大量使用，在机体细胞通路中或能起到意想不到的效果。日前《柳叶刀》子刊发表的一项研究显示，维生素D的药理使用或有利于糖尿病前期患者预防肌肉减少症。

“维生素是人体自身不能合成或者合成量不足，必须从外界摄取的小分子化合物。”中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张大伟告诉科技日报记者，维生素对于人体的生长代谢非常重要，而且是不可替代的。

根据不同性质和功能，维生素在食品中可用作酸味剂、抗氧化剂、营养强化剂和膳食补充剂等。在食品产业中，维生素可改善加工过程、提高食品质量与营养价值，满足人体的日常需求。生物制造技术的发展推动了维生素制造的迭代创新。在生物技术的引领下，维生素生产方式正稳步升级。

微生物发酵合成是维生素制造的重要方向

维生素包括维生素A、B、C、D等多个种类，由于都被叫作维生素，很多人认为它们的功能非常相似。事实上并非如此。“维生素A又叫视黄醇，维生素B1叫硫胺素，维生素B11就是孕妇需要补充的叶酸……”张大伟说，生育酚、钴胺素、吡哆醛等其实都是维生素。它们的名字五花八门，化学结构也形态各异。

既然它们如此不同，为什么都会被归为维生素一类呢？张大伟解释，因为它们有个共同特点，就是当机体缺乏它们时，代谢活动就会异常。而且，已知的大多数维生素，都是酶的辅酶或辅基团的组成成分。换句话说，缺了它们的辅助，一些生命活动中的关键蛋白质（酶）就会不工作或者乱工作。

“现在的维生素常作为食品、饮料添加剂，也会用于化妆品、保健品等一系列产品中。”国药控股星鲨制药生命科学研究院执行院长喻喜华说。

“传统的维生素生产方法包括化学提取法和化学合成法。前者是从植物或者其他富含该维生素的来源中，用化学溶剂等来提取；后者是根据维生素的化学结构，通过化学反应进行合成。”国药控股星鲨制药软胶囊制剂车间主任苏志伟介绍。

此外，一些微生物具备合成某些维生素的能力。因此生产维生素还有微生物发酵法，通过发酵培养进而实现维生素工业化生产。

微生物发酵合成是维生素制造的重要方向。生物制造技术的应用可以有效实现节能、减排和降耗，是实现维生素制造绿色发展的重要突破口。例如传统的维生素B6生产主要依赖化学法合成，合成过程中要用到强腐蚀性的三氯氧磷和有毒溶剂苯等，且副产物处理难度较大，存在安全隐患，污染环境。“生物发酵方法相对而言比较温和，反应温度大多在30—37摄氏度，不需要高温高压。”张大伟说，生物发酵方法使用的原材料大多没有有毒化学试剂，在能耗、排放和环保等方面，更加符合绿色发展要求。

改造“细胞工厂”提高维生素生产效率

随着生活水平的不断提高，人们对于维生素食品的需求日益增长。为支撑相关食品产业发展，维生素生产工艺需要进一步改良、升级和转型。

维生素B5的生产就经历了从化学合成法到微生物发酵法的蝶变。此前维生素B5需使用甲醛、异丁醛和丙烯腈等易燃易爆原料合成，生产过程中会产生有剧毒的含氰废水。中国科学院微生物所研究员温廷益团队对野生大肠杆菌进行了近30轮代谢工程改造，大幅提高了维生素B5的生产效率。2023年4月，该成果经过转化后建成产量达2500吨的全球首条维生素B5生物发酵绿色生产线。

在信息技术、生物技术的加持下，当前维生素生产和分包环节不断向高效化方向迈进。

包括基因编辑在内的生物技术，能够在生产菌内部有目标地增强维生素合成路径，使菌株的生产能力更强。喻喜华说，菌种改良可以让“细胞工厂”更加高效。它们只需利用廉价易得的原材料，比如玉米淀粉、木质纤维素等，就可以通过发酵实现目标产物的高效转化。

合成生物学技术被认为是改变未来生产方式的颠覆性技术，也契合了“双碳”目标和可持续发展的理念。此前，中国科学院院士邓子新团队就利用合成生物学技术，成功开发出一种低成本、高效率、高收益、低污染生产维生素E的方法，使中国一跃成为维生素E的生产大国。

张大伟介绍，有一些维生素的天然“生产者”难以满足工业化生产要求，需要通过合成生物学的新方法加以改造。比如当前维生素B12相对昂贵，就是由于其天然“生产者”苜蓿中华根瘤菌虽然含有维生素B12的全部合成基因，但用它生产维生素B12方法复杂，生产周期很长。

苜蓿中华根瘤菌要在苜蓿的根部才能找到生长的最优环境，而工业生产中难以满足这样的条件。且苜蓿中华根瘤菌的同源重组效率低，缺乏有效的基因编辑工具，严重限制了菌种的改造。张大伟说，为此他和团队开发出适用于苜蓿中华根瘤菌的基因“剪刀”，实现了对基因组多基因编辑和大片段高效插入。

团队还在大肠杆菌细胞中成功组装、调控了维生素B12的从头合成，将合成途径长、结构复杂的维生素B12“生产线”，搬进成熟的“细胞工厂”大肠杆菌中，全新菌种及体外多酶体系合成维生素B12的周期都大幅缩短。张大伟说，如果技术能够得到实际应用，将进一步提升维生素B12的生产效能。

中国工程院院士郑裕国表示，我国维生素市场规模不断扩大，合成生物学技术的崛起与进步给维生素产业的发展带来新机遇。在合成生物学技术快速发展的推动下，维生素生产呈现从化学法向绿色低碳生物法发展的趋势。随着合成生物学技术的进一步升级与工程化应用，多个品种的维生素有望实现对原有生产路线的替代。