超分子材料如何与合成生物结合？

本月，2023中国美妆供应链展iPDM于广州白云国际会议中心举办。期间，由青眼主办的合成生物高峰论坛圆满成功。会上，哈尔滨工业大学教授&博士生导师、杉海创新创始人张嘉恒带来题为《中国化妆品原料的技术突围之路》的主题演讲。

以下为演讲实录：

 

今天是合成生物的论坛，我们公司一直是做超分子材料的，也尝试在这两个方向上做一点点交叉，看是否能够给大家带来一些新的启发。

 

前面几位专家也都讲过，2022年国家发改委在《“十四五”生物经济发展规划》中重点提及到了合成生物学，也是首次提出了生物经济这个概念。

从整个行业来看，最近几年不管是技术突破，还是产业发展，还是投融资，都发展得非常快。其实也出现了一些区域聚集效应，在江浙沪，创健医疗就是一个很优秀代表；以及在港澳大湾区，深圳也涌现了几家非常优秀的合成生物企业。

 

整个合成生物学有一些关键里程碑，合成生物学的定向进化的早期应用主要集中于进化个体蛋白，以及去稳定这个蛋白的活性、选择性以及工业应用里面的一些knowhow(专有技术）。这几年随着基因编辑技术的发展，包括一些纯化技术的发展，所以去结合设计新的蛋白和核酸，并且拓展到一些遗传回路、生化途径，研究每一类的底层逻辑和表达方式等等。

 

这是之前在《Nature》NEWS & VIEWS上很出名的一个报道，其实就是合成生物学专家Jay D. Keasling和几位化学专家的讨论。其中大家可能比较熟的是Phil S. Baran，我们叫有机化学的泰斗之一，他其实做了非常多有意思的有机化学的反应，他发《Nature》就像我们大家发微博一样。有一些关于合成生物和有机合成到底谁更好或者谁更有优势的争论。

 

其实我们可以看到，化学合成通过一些新的反应的设计，新的催化剂的设计，选择性的设计，反应条件的一些优化，可以去开发毫克级、千克级，包括吨级的一些新产品，以及现在中国也有非常成熟的有机合成产业化，包括上市公司之类。

 

但是整体来说，有机合成它会带来各种各样的问题。我们在合成过程中必须使用一些催化剂，同时很多的合成也需要非常多的合成步骤。像刚才李总讲的紫杉醇，最早的全合成研究需要30步，最终整体的合成产率是非常低的，可能连1%都不到。

所以在整个合成过程中，我们要用到非常多有机溶剂，然后有无法回收的催化剂，包括有一些副产物的产生，会带入到整体产物里面，也会带来一些污染的问题。同时，合成过程中难免会有一些挥发性、易燃易爆炸的问题。

 

刚刚讲了有机合成的一些缺点，那合成生物是否就是一个彻彻底底的绿色化学？

 

虽然大家都说它是绿色经济、绿色化学、绿色生物的一个新的方向，其实也不一定。因为我们看整个的生物合成一般通过微生物发酵，或者一些底盘菌或者其他一些细胞的一个表达体系来实现，所有的过程会在一个水相培养基的体系里去实现。

在生产的过程中一般也会比较少的去使用有机溶剂，但我们认为这个生产如果要加上纯化的话，可能就未必，因为纯化的过程中大部分可能还是会用到一些有机溶剂。

 

但是在生物合成的过程中，它的选择性、产率其实跟化学合成的差距比较大。因为随着化学合成的发展，比如贵金属催化剂的发展，包括单原子催化技术的发展，很多的化学反应已经能够做到接近100%，甚至达到100%的产率，甚至100%的选择性，这是化学合成可以达到的。但是没有一个说合成生物学能达到100%。刚才李总也讲到胶原蛋白20克的表达率在行业里已经是非常非常高。但是如果我们换算产率的话，20克算2%。跟有机合成的产率比起来，这是合成生物的一个缺点，但是它有非常多的进步空间。

 

第二，生物合成的过程中，如果我们去生产一些脂溶性的小分子，那么这些脂溶性的小分子也是不容易回收的，在这个过程中也必须要用到一些低沸点的有机溶剂进行萃取。

 

所以虽然我们讲生物催化、生物表达的过程一般是在水相培养基里完成，但是在后端的分离提取过程中，你必须要用到有机溶剂，原因就是产率低。如果产率达到了100%，那可能不需要经过后端的提取、分离和纯化。但是产率很低，只有百分之几，必然会带来很多的副产物。这个副产物怎么去掉，然后得到的这个产品怎么样提纯，这里面或多或少都会带来一定范围内的污染。

 

另外一个就是可控性相对较差。因为我们知道在有机合成的过程中，不管是在小的反应体系，还是大的，只要我们把传质、传热，就是化工里面的三传一反理论做好，一般对于小容量的反应来说，它的重现性比较好。但是合成生物整个催化体系是微生物，是细胞、工程菌，所以它从小试、中试到量产，再到规模化生产，它放大的难度非常大，特别是刚刚构建好一个新的生命体系之后，整个微生物大军，你如何去运转控制每一步？这里面有非常非常多的漏耗。

 

我相信很多做合成生物的企业都会遇到噬菌体的问题。但是在整个生物合成的过程，为了能尽量得到我们要的产物，我们能做的事情是什么？只是去提供过量的培养基和过量的反应原料。那这里面是不是也会带来一定的浪费？也是希望大家可以思考一下。

 

绿色化学领域的奠基人B. M. Trost，他是斯坦福大学化学系系主任，他提出了一个解决办法，叫做原子经济性的概念。原子经济性的概念是在整个化学品的合成过程中，合成的方法和工艺应当被设计成能够把整个反应过程中我们投入的原料、所有的原子尽可能地转化到我们的终产品里。也就是说，如果我们的原料能够100%地转化为产物，它的原子经济性就是100%。

 

所以原子经济性也是绿色化学的一个专有名词，也是因为这个概念，他获得了1998年美国“总统绿色化学挑战奖”的学术奖。

 

结合这样一个定义，从化学反应的角度来说，合成生物学反应的原子经济性很差，因为它的产率很低，它大部分的原料没有被转化成产品。在这个过程中是否有一些解决方案？

 

其实也有人提出来，大部分的企业专家可能都是生物学家，生物学家的专长在于通过基因编辑的方式去生产基因工程菌，通过基因工程菌对每一个催化过程做高表达，这是生物学家非常擅长做的事情。

 

那化学家擅长做什么呢？我们可以做溶剂的筛选，反映条件的控制，整个纯化工艺的改良。是否能把化学家和生物学家的工作结合到一起？这个我觉得是未来非常有前景的一个方向。

 

在这里面我们提出了一个原子经济性100%的材料--超分子结构溶剂。其中，像离子液体就是一个非常典型的100%原子经济性的材料，上面列了左旋肉碱和香叶酸。这个离子液体也是哈佛大学的两院院士Samir教授开发出来的，通过一个简单的酸碱反应，他们会通过库仑作用力结合到一起，没有一个原子会被浪费掉，所有的原子都成了左旋肉碱。

 

离子液体在《Nature》《Science》上有非常多的报道，包括这个材料在新能源、医药上，它都有很突出的一些优点。它的一些物理化学性质跟传统的有机溶剂或者分子型溶剂是完全不一样的，因为它虽然是液体，它没有固液气三相，它只有固体和液体两相。

 

也就是说，这样一个液态材料是零饱和蒸汽压的，或者叫低饱和蒸汽压，它几乎不会挥发，能够代替传统的有机溶剂，做分离介质，或者为生物学家开发出来的基因工程菌提供一个更好、更舒适的催化环境。超分子溶剂还有很多其他类型，包括天然深共熔溶剂等等。

 

我们在设计超分子溶剂的过程中，跟传统的化学公式也不一样，因为传统的离子液体往往是由化工来源，比如说咪唑基的阳离子，吡啶基的阳离子，然后它的阴离子往往是像六氟磷酸盐、四氟磷酸盐、氯离子等等。

但是因为要用在比如说食品、功能性食品或者医药、护肤美妆上，我们这里面就有很多新的选择。我们可以用化妆品原料目录表里面的成分来做超分子溶剂的氢电给体、氢电配体，或者说离子液体这种材料的阳离子前驱体和阴离子前驱体。这样的一个设计思路给整个产业也带来了一些新的启发。

 

接下来回到超分子的概念。

 

以前新材料的开发，一般都是基于一个新分子的产生，或者新分子的设计，就像很多药厂开发一类新药一样。以前人们发烧或者疼痛，发现口嚼柳树皮能够起到解热镇痛的作用，因为柳树皮里面有水杨酸，但水杨酸这个成分它对于胃肠道黏膜有很强的刺激性。

那么化学家怎么做的呢？通过引入乙酰基的方式，合成乙酰水杨酸来解决这个问题。把水杨酸通过有机合成的方式做成了乙酰水杨酸。这个是传统的材料开发的一个方式，基于共价键的体系。

 

那有没有新的材料开发方式？实际上我们可以把每一个分子想象成乐高的一个模块，把不同的分子通过分子间作用力拼到一起，可以借助于范德华力、氢键、π-π作用力、疏水作用力，将不同的分子集合到一起形成一个稳定的结构，那这个新的结构就像小朋友搭的乐高一样，往往会有一些新的功能。这个就是超分子体系。

 

超分子化学也获得了两次诺贝尔化学奖，一次是在1987 年，第二次是在2016年。法国化学家莱恩，业内也称之为 “超分子化学之父”，在他获奖演说中也为超分子做了这样一个解释，跟我们刚才的描述类似。

 

国际材料学的一些巨头，像巴斯夫也跟莱恩在合作，在法国成立了一个基于超分技术的材料开发平台ISIS。所以其实也能看到这个技术未来有可能会在整个材料领域带来一场新的变革。

 

讲到这儿，其实我特别想回到100年前。1920年H.施陶丁格提出的高分子概念，施陶丁格说，一个分子通过不断的重复，中间通过共价键的一个连接，它可以得到一个分子量更大的材料。但100年前，大部分人都不知道这种材料能做什么事，当然施陶丁格在1953年也获得了诺贝尔化学奖。

 

我们从100年后的现在来看，所有能接触到的东西，衣服、汽车上的各种材料、涂料等等，很多都是高分子材料，高分子已经无处不在了。100年之后，包括巴斯夫这样的国际巨头提出了超分子有可能未来会带来整个材料行业的一个变革。我也不敢想象在100年之后，这样的一个材料开发的思路，是不是真的能带来像高分子一样的一场新的变革。

 

这是2016年的诺贝尔化学奖，这几位科学家提出了一个非常新的一些思路。有点像中国结一样，他们将不同的分子编成串，然后再把不同的串串在一起，通过物理的方式，其实分子和分子之间并没有通过共价键的方式去产生新的分子，但是通过它的形状就能把不同的分子连在一起，叫做分子机器。所以2016年诺贝尔化学奖是颁发给超分子化学及分子机器。

 

这也给科学界提出了一个非常有意思的解决方案。以前，我们想让宏观的东西动起来，比如让汽车动起来一般会通过化学能源的转化，或者说电能。但是如何去操纵微观的分子动起来？分子机器可以在一些特定的物理场的作用下，如光电磁场作用，让这个圈圈当做汽车的一个轮子，让它转动起来，因为它有不同的静电式，不同的力距，在不同电子（电磁）场下它会转动，通过这样的方式可以控制这种微量分子的一些定向运动。

 

所以有可能为靶向给药提供一些新的解决方案。诺委会给他们的评语是：这是一种可以操纵分子自组装的科技，将人类从“机械文明”带入到“分子维度”。就是我们刚才讲的把汽车的宏观运动带到了一个分子的维度。

 

回到刚才，其实就是通过库仑作用力、镜面作用力、氢键、疏水作用力、范德华力、π-π作用力等等，去搭建各种各样的分子积木，然后用这样的一个分子积木去做各种各样的事情。

 

其实这样的材料在人体、自然界也是无处不在，包括双螺旋结构，就像胶原蛋白的双螺旋结构其实它也有氢键的作用力。那像DNA的双螺旋结构，我们知道它有两条脱氧核苷酸链，链上有不同的碱基，A对T，C对着G，中间这个碱基的作用力就是一个氢键的作用物，每一对碱基的氢键作用力，把两条脱氧核苷酸链拉成了一个双螺旋结构。

 

另外像我们血液里血红蛋白对氧气的一个运输，就是因为血红蛋白上面的铁和氧气会形成一个配位键，相当于血红蛋白能把氧气抓住去进行运输、输送。

 

这就是分子自组装，一个绿色化学的前沿技术。物以类聚，同时我们也通过一些化学、热力学和动力学的方式发现，有的分子就是命中注定喜欢拼到一起。之前36氪也说我们是分子界的红娘，说的也没错，我们就是帮分子找对象的，他们就是适合拼到一起。

 

我们跟2016年诺贝尔化学奖的获得者索维奇教授在深圳成立了诺贝尔奖科学家实验室，这个也是深圳的第七个诺奖实验室，我们拿到了深圳科创委一个亿的研发经费支持。整个实验室有11位教授，索维奇教授是主任，我在里面作为核心成员，主要负责超分子技术在生物材料以及新能源材料上的基础研究和应用转化。

 

我们公司实际上也是一个基于超分子技术的材料开发平台。当然整个的材料开发的过程，如果像前面讲的那样，不断地把不同的分子组装到一起，就像红娘一样，你给一个男生介绍对象，那他俩能不能看对眼还不一定，可能他俩不合适，你又得给他找新的。那有没有一个更有效率的开发方式？

 

实际上我在2016年发表了一篇基于氢键配对的逐层自组装技术的论文，我提出了一种方法论，就是只要我们在一个平面上能够把分子拼接起来，那这一个平面的分子就会通过π-π作用力去自组装，形成一个三维、可无限延伸的一个材料。

 

在开发过程中，我们用到了非常多计算化学的一些思路，可以通过一些商用的材料开发软件；借助计算机的高通量筛选；通过热力学和动力学的方式；通过类似材料基因组学的方式，给不同的分子打标签，有类似标签的或者说互相配对的官能团，或者它的空间结构的分子，通过计算机的方式将它筛选出来，并且借助一些像构效关系的算法，以及神经组学的算法，将这些材料预测出来，接下来再通过实验室的方式将它制配出来。这就是我们搭建的一个超分子材料基因组学的一个开发平台。我们在很多论文里其实也体现了这一点。

 

基于这样一个材料开发方式，我们可以得到四大类材料，其中两种是固体，两种是液体。这两种固体分别叫共晶和有机的离子盐，共晶和有机的离子盐的区别就在于它是否有质子的转移。就是说我们将两种分子拼接到一起之后，它如果发生了质子的转移，就叫有机的离子盐，如果没有发生质子的转移是共晶。

 

液体材料也类似，我们将两种或者多种材料拼接到一起，如果发生了质子的转移，类似于酸碱反应，它叫离子液体。如果没有发生质子的转移，主要靠氢键的作用力来稳定，叫低共熔溶剂。

 

像共晶和离子盐，我们可以直接将它作为功效成分来使用。而低共熔溶剂和离子液体能应用到很多生物学里。今天主要讲的是生物酶绿色催化技术，这个主要是在美妆领域。生物酶绿色催化技术中酶分子定向进化技术也是2018年拿的诺奖。

 

在生物合成的过程中，我们发现整个培养基的体系，生物催化的体系，溶剂的选择，培养基的选择其实对产率、目标化合物的选择性有非常大的影响。因为超分子材料是可设计性的，我们就在想是否可以根据要做的生物合成的反应去给它设计一个超分子溶剂，是否能够得到一个让酶催化过程更高效、选择性更高、产率更高的一个生物合成的方式。答案肯定是可以的。

 

我们通过超分子材料和合成生物学的有机结合，实现了提高酶的催化活性，提高酶催化反应的产率，提高酶的选择性。因为我们也知道很多生物合成的产物都是活性化合物。我们也做了一些基因编辑的工作，然后再结合我们针对不同的催化过程中设计的超分子溶剂，已经实现了多种糖苷类化合物的生物合成量产，包括α-熊果苷、甘油葡糖苷、VC葡糖苷，以及β-葡聚糖、DHA等等，这些产品产能已经达到了千吨型。

 

我们有两个合成生物学工厂，一个在云南昆明，一个在广东韶关。同时我们也发现有很多在跟我们做类似的事情，包括葡糖苷的乙酰化，如果用有机溶剂，会得到一个50: 50的外消旋体。但如果用超分溶剂来做反应的话，会得到一个95: 5的反应产物，所以它的负产物会从50%降到了1/10。

 

很多的乙酰化反应，现在都是用离子液体作为反应溶剂，以及一些肽的绿色合成，发现离子液体可以作为一个催化剂或者反应溶剂去大大提高肽的表达。

 

同时，我们刚才讲到整个超分子溶剂的物理化学性质是零饱和蒸汽压的，所以这个材料可以在整个的催化过程中循环使用。我们在多次循环中对这个材料做了一些分析，发现整个催化过程中不会对它的结构造成一些影响，所以是可以循环使用的。

 

这是我们用超分子生物催化得到的甘油葡糖苷（2-α-GG），我们发现这个活性物它本身就有一些渗透的作用，包括有去皱、去红、保湿等等功效。

然后我们在酶的定向催化技术上也发表了相关的一些论文。这个酶是我们用来做抗坏血酸葡糖苷（AA-2G）的，也是通过计算机模拟结合定点突变技术，找到合适的酶，可以大大降低AA2G合成过程中副产物。因为我们知道它是一个维c的衍生物，所以它的功效主要也是美白，有助于棕斑、可见斑、红色特征的减少。

 

我们也有一些技术是结合中国植物，做超分子的生物催化，通过我们的工艺去富集有效成分，降低有害物质，同时也可以产生一些新的活性物质等等。这是我们跟品牌的一些合作，可以用我们的技术做一些生物催化，发酵的无水配方等。

 

我们团队应该也是全球第一家系统性研究超分子材料的企业。我们目前有近100位全职研发人员，分别在不同的学科背景下去进行融合。

 

因为今天是生物合成的论坛，所以我们主要也是介绍了超分子材料这样的一个两次获得诺贝尔化学奖的前沿技术，是如何跟生物合成结合的。也希望我的分享能给大家带来一些新的启发。