最新刊期
2025年第6卷第2期
合成生物学与护肤科技专辑
陈坚，王颖，康振，罗云孜
序
- 摘要：伴随消费者对化妆品的需求急剧增长，化妆品原料市场同步扩张。化妆品原料作为化妆品的核心成分，不仅承载着化妆品的主体功效和产品竞争力，同时对化妆品的安全也至关重要。合成生物学是以工程化设计为理念，利用基因编辑技术、计算机模拟技术和生物工程等技术对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成的一门新兴交叉融合性学科。合成生物学的进步使微生物宿主能够以高效、具有成本竞争力和安全的方式合成有价值的天然产物。随着合成生物学的不断发展，酿酒酵母作为一种重要的微生物底盘细胞，在化妆品原料合成中的应用日益广泛。构建酿酒酵母细胞工厂异源生物合成化妆品原料作为一种有效的替代方案，具有环保、可持续的优点，可以减少对传统物理提取法的依赖以及规避化学合成法的污染问题。本文综述了酿酒酵母基因编辑技术的发展及其在化妆品原料生物合成途径构建中的关键作用，总结了基因多拷贝整合、区室化工程、转运工程、人工多细胞体系等代谢工程策略在化妆品原料酿酒酵母细胞工厂优化中的应用，并进一步从萜类、维生素类、多酚类、蛋白质与氨基酸类等不同类别的化妆品活性成分出发，阐述了酿酒酵母细胞工厂生物合成化妆品原料的最新进展。虽然酿酒酵母在化妆品原料大规模生产方面具有巨大潜能与优势，然而目前仍面临诸如产品生物合成途径未完全解析、生物合成水平较为低下、分离纯化困难等一系列挑战。未来，结合人工智能、机器学习等手段有望开发更为高效的基因编辑工具并应用于酿酒酵母细胞工厂的优化与化妆品原料成分的合成中，为化妆品行业的可持续发展提供理论支持和实践指导。关键词：酿酒酵母;化妆品原料;合成生物学;基因组编辑;代谢工程;细胞工厂10|3|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：随着合成生物学的快速发展，氨基酸衍生物作为一类重要的化妆品原料，其生产方式正发生历史性革新。传统生产方法存在生产成本高、环境负担重、产品稳定性差等问题。运用合成生物技术设计构建微生物细胞工厂，不仅能有效提升目标产品生产效率、降低成本，还能实现绿色生物制造，满足市场对天然、安全、功能性强化妆品原料的供应需求。本文介绍了氨基酸衍生物在化妆品中的应用，并对其生物合成策略进行了总结，从酶转化和微生物发酵两种主要的生物合成工艺入手，探讨了酶工程、理性代谢工程以及非理性筛选等策略在化妆品原料氨基酸衍生物细胞工厂构建中的应用，并进一步对化妆品原料氨基酸衍生物的生物合成研究进展与发展趋势进行了系统综述。在人工智能等前沿技术的赋能助力下，合成生物技术必将进一步推动化妆品原料高效绿色生物制造的革新进程。关键词：合成生物学;化妆品原料;酶转化;微生物发酵;绿色制造18|2|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：L-精氨酸是一种碱性氨基酸，是护肤产品中常用的中和剂、保湿剂和抗氧化剂，此外，L-精氨酸还广泛应用于饲料、医药、食品等领域。以工程化的谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌等微生物为催化剂，以可再生的淀粉糖为原料，通过微生物发酵的方法生产L-精氨酸是目前该产品最主要的生产方法。为创制高效的工程微生物菌种，早期研究者通常采用诱变筛选的方法，但由于突变的不确定性和非定向性，育种效率较低。随着合成生物技术的发展，人工设计L-精氨酸的合成途径和调控机制，并通过基因编辑理性创制工程微生物菌种成为研究的主流。本文综述了不同微生物中发现的L-精氨酸合成途径及调控机制，以谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌为主，介绍了设计创制L-精氨酸高产菌种的合成生物学代谢改造策略，以及基于生物传感器的高通量筛选在L-精氨酸高产菌种筛选中的应用。最后，展望了进一步提高L-精氨酸生物合成水平的潜在策略，以及一碳原料等新型非粮碳资源在未来L-精氨酸生产中的应用前景。关键词：L-精氨酸;代谢工程;合成生物学;一碳原料;谷氨酸棒杆菌;大肠杆菌6|1|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：类菌孢素氨基酸（mycosporine-like amino acid，MAA）是一类由水生生物产生的小分子化合物，具有抵御紫外线辐射的功能，近年来作为环保型防晒剂在化妆品领域得到了广泛关注。然而，MAA在生物体中的低积累量、复杂的提取工艺和极低的得率限制了其应用前景。利用合成生物技术，在微生物细胞中重构MAA合成路径，有望实现MAA的规模化生产，为解决MAA供应不足问题提供有效策略。本文系统总结了目前MAA生物合成的研究进展，涵盖了结构多样性分析、生物合成途径解析、底盘细胞构建等方面。重点关注了近期MAA的微生物从头生物合成研究进展，探讨了目前MAA生物合成研究面临的挑战，包括前体含量少、关键酶催化效率低等问题。最后，展望了MAA微生物合成的未来发展方向，如转运蛋白的改造、关键酶的解析等，旨在推动MAA的绿色、高效生物合成。关键词：类菌孢素氨基酸;防晒化合物;代谢调控;细胞工厂;合成生物学7|2|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：乳酸菌在发酵食品中的使用有着悠久历史，一些菌种被认为是安全级微生物。乳酸菌也是人体正常的共生菌，具有调节肠道和皮肤微生态的菌群平衡、增强机体免疫力等有益作用。当前，乳酸菌及其产生的活性代谢产物添加到护肤品中产生保湿、抗氧化和减轻过敏等效果得到了消费者认可，而一些乳酸菌在缓解和治疗皮肤疾病方面的作用也有越来越多的数据支持。基于此，利用乳酸菌作为底盘生产护肤活性物质或作为皮肤修复的生物治疗载体具有广阔的应用前景。本文首先总结了在乳酸菌中建立的遗传操作系统，着重关注遗传可及性、基因表达系统和基因组编辑技术，然后总结了乳酸菌作为细胞工厂生产保湿因子和抗氧化产物的研究进展，最后介绍了工程乳酸菌针对皮肤损伤进行靶向递药的可行性，旨在为乳酸菌应用于皮肤健康领域提供借鉴。关键词：乳酸菌;合成生物学;遗传操作系统;皮肤修复;活菌药物10|1|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：香精香料是个人护理产品中的重要成分，其中，萜类化合物及其衍生物在天然香料市场中有着重要的地位。近年来，合成生物学的蓬勃发展为解决萜类香料产能瓶颈及开发更多元化的新型香料化合物带来了新机遇。本文探讨了合成生物学在萜类香料可持续生产中的应用和发展，介绍了数据驱动的合成生物学和生物技术创新如何赋能萜类香料生产，讨论比较了萜类合成的经典合成途径和替代合成途径，并探讨了萜类合酶挖掘与改造进展。在此基础上，着重介绍了单萜类、倍半萜类和降异戊二烯类香料的细胞工厂合成现状，包括元件改造、途径优化和萜类解毒等关键技术策略。最后，对当前专利布局和产业化竞争格局进行了总结分析，并对未来发展的挑战和机遇进行了展望，包括生物合成技术的挑战、新产物的发掘与设计，以及市场监管与安全性问题。关键词：合成生物学;萜类化合物;香精香料;细胞工厂;知识产权5|2|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：单萜类化合物是一类由两个异戊二烯单元缩合而成的萜类化合物，被广泛应用于医药、食品、香料、化妆品、农业和能源等行业中。相较于植物提取和化学合成，利用微生物异源合成单萜类化合物提供了一种高效、可持续及生态友好的可替代途径。酵母细胞由于具有短暂的生长周期、内源甲羟戊酸路径和完整的蛋白后修饰体系等优势，成为生物合成单萜类化合物的潜在宿主。随着合成生物学关键技术的发展，研究者们已经成功构建了合成单萜的微生物细胞工厂，但与大规模工业化生产之间还有很大距离。本文介绍了单萜的生物合成途径，除酵母内源甲羟戊酸途径外，人工构建的异源异戊烯醇利用途径与醇依赖型半萜途径也可用于单萜前体香叶基二磷酸的合成，随后围绕提高单萜前体供应、关键酶的改造和调控、区室化工程、缓解单萜的细胞毒性等几个方面阐述了利用酵母细胞合成单萜类化合物的策略和研究进展。最后基于目前单萜类化合物合成仍面临的前体供给不足与单萜及中间代谢物的细胞毒性等挑战，对未来酵母合成单萜类化合物的发展方向进行了展望，包括对单萜产生细胞毒性的具体机制进一步解析、更高效单萜合酶的挖掘与改造、动态调控单萜合成的代谢途径以及更稳定高效合成单萜宿主细胞的探索等，旨在为以后利用酵母合成单萜提供一定的指导。关键词：单萜类化合物;酵母;代谢工程;酶;区室化工程;细胞毒性6|4|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：黄酮类化合物是一类广泛存在于自然界中的多酚类化合物，因其显著的抗氧化、抗炎、抗菌等生物活性在化妆品中广泛应用。然而，传统植物提取方法的局限性促使研究人员转向合成生物学以寻求更高效的生产途径。本文根据美白抗氧化、抗菌消炎、防晒抗衰老和增色增彩四个功能分类分别列举了几种常见黄酮类化合物在化妆品中的应用；介绍了黄酮类化合物的现有生物合成途径并总结了典型黄酮类化合物的最新研究进展；详细讨论了合成生物学及代谢工程策略。接着，针对黄酮类化合物在化妆品应用中的水溶性差和稳定性低的问题，总结了相应解决方案的研究进程。最后，总结并展望了人工智能辅助合成生物学的策略以应对黄酮类化合物合成过程中的挑战。同时，本文强调了黄酮类化合物的安全性和有效性评估的重要性，以推动其在化妆品行业的应用。关键词：黄酮类化合物;天然产物;生物合成;合成生物学;化妆品14|4|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：红景天苷是一种具有抗缺氧、抗氧化、抗衰老和抗肿瘤等活性的天然产物，被广泛应用于化妆品与医药领域。目前获取红景天苷的主要方式是从红景天属植物的根茎和块茎中提取，由于其含量稀少，日益增长的市场需求导致植物资源逐渐匮乏。因此，开发新的合成方法成为了研究热点。红景天苷的天然生物合成路径已被解析，随着合成生物学的发展，采用合成生物技术构建微生物细胞工厂合成红景天苷成为缓解当前供需失衡和资源紧缺状况的有效途径。本文针对红景天苷的药理活性、植物合成路径、途径酶的挖掘与筛选、大肠杆菌和酿酒酵母的生物合成现状等相关研究进展进行系统性的综述，探讨了红景天苷的分离提纯方法以及它作为合成中间体在制备其他化合物方面的应用潜力，以期助力对红景天苷合成路径与相关工程改造策略的理解，并推动红景天苷绿色、高效的生物合成。关键词：红景天苷;微生物合成;合成生物学;代谢工程;化妆品13|3|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：酵母甘露糖蛋白（mannoprotein）是一种位于酵母细胞壁最外层的非丝状糖蛋白，作为天然功能性成分，其商业化应用受限，目前仅用作葡萄酒稳定剂。本文简要介绍了其在肽链、核心区和外链组成方面的结构特征，并论述了酸法、碱法、酶法和物理方法提取酵母甘露糖蛋白的优缺点。还系统综述了酵母甘露糖蛋白在改善肠道健康、刺激免疫、抗氧化、降血脂、吸附霉菌毒素等方面的生物学活性，以及其在甘露寡糖生产、生物乳化剂、营养健康食品、水果保鲜、动物营养和葡萄酒中的应用。酵母甘露糖蛋白的N-糖基化和O-糖基化合成途径及过程控制基因改造策略的研究进展，为高效生产甘露糖蛋白提供了新技术，然而酵母甘露糖蛋白的生产结构多样化给研究带来了挑战，且结构-功能关系尚未揭示，未来应重点研究酵母甘露糖蛋白的结构与生物活性的关系，并结合生物合成技术，以推动其产业发展，提升在食品、化妆品和医药等领域的应用价值，推动酵母甘露糖蛋白的广泛商业化应用。关键词：酵母多糖;酵母甘露糖蛋白;生物活性;应用;生物合成9|1|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：神经酰胺是一种存在于所有真核生物中的多功能生物活性物质，在细胞信号转导、细胞增殖、分化、凋亡和免疫调节中发挥着重要作用。神经酰胺天然存在于皮肤角质层中，起着支持肌肤屏障、保持水分、抗氧化衰老、抗菌抗炎等作用。因此，神经酰胺及其衍生物在化妆品、生物医药、功能食品等领域具有广阔的市场前景。神经酰胺构型存在多个立体中心，化学从头合成难度大，已知市售的天然或类神经酰胺化合物主要是通过传统天然提取法及生物化学相结合的半合成法获得。近年来，利用微生物合成神经酰胺等鞘脂类化合物已有报道，但从头合成效率还处于较低水平，如何实现细胞工厂高效生产神经酰胺具有重大意义。本文从神经酰胺的生理功能和应用出发，系统地综述了神经酰胺类物质的生理效应及功能；阐述了神经酰胺的天然提取方法、神经酰胺及其前体化合物的化学合成方法；并从鞘脂合成途径及关键酶出发介绍，引出途径调控与优化、产物的运输储存与分泌、关键酶的挖掘与表达等改造策略；最后，从神经酰胺合成面临的聚集毒性、高效运输分泌、数字化改造催化元件、基因调控靶点的拓展等方面进行了展望。合成生物学和生物技术的持续进步有助于扩大微生物细胞工厂的生产能力，实现神经酰胺等鞘脂类化合物的可持续绿色生物制造。关键词：神经酰胺;微生物细胞工厂;生物合成;鞘脂;鞘氨醇碱6|1|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：透明质酸（hyaluronic acid， HA）是一种在化妆品、食品和医疗领域广泛应用的天然直链酸性黏多糖。根据分子量大小，HA可分为高、中、低三类，不同分子量的HA具有不同的功能和应用场景。随着微生物发酵技术取代传统动物组织提取法，HA工业化生产取得了巨大进步。然而，天然HA合成菌株兽疫链球菌的缺点（如潜在致病性以及难以分子改造），限制了不同分子量HA的生物合成研究。近年来，随着特定分子量HA需求的不断增长，代谢工程和合成生物技术已广泛应用于HA生物合成与分子量调控。本文首先分析了中高分子量HA合成的限制性因素，重点讨论了HA前体合成途径的基因调控及竞争支路的弱化。其次，探讨了HA合酶、前体供应和发酵条件对超高分子量HA合成的影响。最后，总结了低分子量HA的制备策略，包括物理化学法、酶法和微生物直接发酵法。还针对HA的生物合成与分子量调控面临的挑战——高分子量HA分子量不够高、中高分子量HA合成能力弱和低分子量HA分子量可控性差三方面展开系统性综述，加强对HA生物合成与分子量调控策略的理解，助力实现可控分子量HA的高效生物合成。关键词：透明质酸;分子量;生物合成;代谢工程;合成生物学6|2|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：功能肽是由2～50个氨基酸组成的短链肽，近年来因其特异性强、作用迅速及副作用低而成为开发新药和功能原料的重要研究热点。首先，本文梳理了功能肽的分类、作用机制及应用场景，总结了不同类型功能肽的特点和在生物医药、食品科学及化妆品等领域的应用。接着，针对功能肽的合成方法，探讨了化学合成与生物合成的最新进展，比较了这两种制备工艺的优缺点以及各自的适用场景。在功能肽挖掘策略方面，本文综述了噬菌体表面展示技术、机器学习算法、分子对接技术及人工智能技术等方面的最新研究，这些技术在功能肽的筛选和设计中展现出重要潜力，提升了研究的效率与准确性。展望未来，功能肽的研究将面临新的挑战与机遇。如何改进合成工艺以提高效率，如何通过结构修饰提高功能肽稳定性，以及如何利用计算机辅助优化和人工智能设计多功能肽，将成为重要的研究方向。同时，加强功能肽的安全性和有效性的评估能进一步提升功能肽的应用潜力。关键词：功能肽;合成生物学;生物合成;高通量;机器学习8|3|1更新时间：2025-05-20
- 摘要：基因工程、生物计算、发酵工程等生物科技在过去20年中实现了前所未有的技术突破，推动诸多行业进入合成生物驱动的新纪元，而化妆品行业便是其中之一。根据历史规律，护肤方式的变革都源自“原材料”的迭代：远古人类已经会用植物制造最原始的护肤品，当农业社会发展到能对植物成分进行复配的时候，就产生了护肤驻颜的复方。工业革命之后，化工产业的发展催生了多种新型原材料，进而推动了化妆品的大规模工业化生产。而20世纪末，随着欧美制药的大发展，很多药用分子成为了护肤的原材料，催生了“药妆品”行业的发展，满足了人们对抗衰、美白等更多护肤功效的需求。如今，不断升级的护肤抗衰需求，需要更高效、更安全、更环保的新型“原材料”。生物科技使我们能够合成比传统化工材料更安全、更具成本效益的材料，人工合成透明质酸、角鲨烷、神经酰胺、天然植物活性成分等均是护肤领域的明星功效成分。近年来，合成生物学实现了飞速发展，人工智能蛋白质设计等新技术使更加复杂的生物材料实现了工业化量产。以重组人源化胶原蛋白为例，这一解决了医学领域重要问题的生物制剂，已经被用作护肤品原料。由此可见，合成生物学的技术外溢，正在缩小医学级治疗和消费级抗衰之间的差距，为护肤行业带来快速的升级。基于合成生物技术生产的护肤产品正在逐步摆脱传统化工产业，向生物科技进发，从“化妆品”逐渐向“生妆品”进化。“生妆品”的出现，标志着合成生物技术为护肤行业插上了翅膀，从此开启功效更强、更安全、更环保的护肤品行业新篇章。关键词：合成生物学;化妆品;药妆品;生妆品;护肤;抗衰;胶原蛋白;透明质酸14|3|1更新时间：2025-05-20
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