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发酵, 从菌株优化到基因魔剪CRISPR

来源:国际个人护理品生产商情 发布时间:2023-01-10 286
食品饮料及个护个人护理品原料配料加工生产设备包装设备及材料其他 行业展望
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未来要满足化妆品对发酵类原料的需求,不仅需要拥有庞大的菌株库,同时还需要掌握菌株优化、菌种驯化、功能性植物与微生物结合发酵技术,甚至是对基因进行定点精确编辑的基因魔剪CRISPR技术。

化妆品行业的生物发酵,本质上属于“生物制造”,即利用微生物来生产制造发酵产物、发酵滤液、溶胞物等化妆品所需原料。然而,随着技术发展,天然微生物发酵已远远不能满足市场需求。在天然微生物中,往往我们需要的物质含量极低,如青霉菌中的青霉素,而且还有相当一部分微生物是致病微生物,一些极端微生物则对生长环境要求苛刻,正常培养难以获得理想菌种。因此,未来要满足化妆品对发酵类原料的需求,不仅需要拥有庞大的菌株库,同时还需要掌握菌株优化、菌种驯化、功能性植物与微生物结合发酵技术,甚至是对基因进行定点精确编辑的基因魔剪CRISPR技术。


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“菌株进化”,一直是个重要的议题。通俗地讲就是采用极端环境(给予如UV、高渗透压、强辐射、化学诱变剂等处理)定向诱导的方法,对特色菌种资源进行“定向”改造 ,使其获得具有抵抗该不利条件能力的菌株。

应用生物发酵法生产腺苷。腺苷是一种遍布人体细胞的内源性核苷,在化妆品中有抗衰老的作用,腺苷在化妆品中作抗氧化剂、皮肤调理剂、保湿剂使用。国家食品药品监督总局于2013年2月公布的《已批准使用的化妆品原料名称目录(第一批)》中收录了腺苷,意味着一定浓度的腺苷可添加到化妆品中。迪美已成功实现利用诱变后的枯草芽孢杆菌发酵生产腺苷,并开发出高水平低成本的腺苷发酵工艺,腺苷产业化产苷率达到 32g/L,达到国内领先水平。

航天育种-高产聚谷氨酸(γ-PGA)菌种。2020年5月5日,搭载了新一代载人飞船试验船、柔性充气式货物返回舱,以及10余项实验载荷的长征五号B运载火箭飞行任务取得圆满成功。意味着我们的“产γ-PGA的菌种”在太空成功遨游了一圈!自太空归来后,通过分析菌株进入太空前后的γ-PGA产量,发现其中一株菌种在添加谷氨酸的发酵培养基中,γ-PGA产量提高了24%!

菌种驯化,适应工业生产。通常,选育的天然菌种或是经过定向改造的菌株都是在实验室中确定的,然而,实验室中小规模的培养和工业生产上大规模的发酵,在生长速度、可重复性等很多方面有着显著的差别。迪美对每一种应用于工业发酵的菌株,都会进行适应性驯化,以保证菌株适应特殊的营养配方与连续扩大培养的工业条件,经驯化后的菌种,具有活力旺盛、生长速度快,发酵产物多以及菌株稳定等多重优势。


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功能性植物与微生物结合发酵。近年来植物发酵活性物质的应用和添加也是化妆品发展方向之一,植物原料中含有多糖、黄酮、多酚等多种活性成分,化妆品中加入这些原料可以使其具有良好的保湿、美白、抗炎、抗衰老等功效。


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功能性植物与微生物结合发酵技术(PCF)


微生物中含有某种酶类,可以将植物原料的细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质降解,从而使植物细胞破裂、细胞间隙增加并减小有效成分从胞内向提取介质中扩散的传质阻力,大大提高了功效成分的提取率。

在此基础上,迪美构建了功能性植物与菌种资源结合的适配库,并专门研发了功能性植物与微生物结合发酵技术(PCF)。针对不同的功能性植物,有着不一样的发酵菌种方案,以实现发酵有益产物的最大化“释放”。

功能性植物与微生物结合发酵技术(PCF)的优势在于:
①富集功效物质。微生物分泌的酶类能够将屏障物质如纤维素、半纤维素等降解,可使活性物质更易溶出;与未发酵相比,多种活性成分如植物多糖、黄酮、多酚,小肽等含量显著提升;
②可降解转化毒性物质。如马兜铃碱、银杏酸、重金属等
③可能产生新的功效。

合成生物学基因魔剪CRISPR/CAS技术精确定制。合成生物学,号称“升级版微生物技术”,可“赋能生物制造”,是对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”。 提到合成生物学,则不得不提其重要工具--号称“基因魔剪”的CRISPR/CAS技术。推动整个生物技术革命性发展的基因编辑技术(CRISPR/CAS),是现代生物制造的一大支柱。


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CRISPR/CAS是进行基因编辑的强大工具,可以对基因进行定点的精确编辑,随着研究的深入,CRISPR/CAS技术已经被广泛的应用。除了基因敲除,基因替换等基础编辑方式,它还可以被用于基因激活,甚至是基因治疗。2020年10月7日,瑞典皇家科学院已决定将2020年诺贝尔化学奖授予德国的Emmanuelle Charpentier博士以及美国的Jennifer A. Doudna博士,以表彰她们在基因编辑领域的贡献。

在2022第六届中国(白云美湾)化妆品国际高峰论坛上,中国工程院院士陈坚做了精彩的报告。其中提到,目前大部分生物化妆品(原料)与合成生物学相关。

迪美具有对菌种实现定向改造的能力,通过合成生物学手段,可以实现定向“基因编辑“,获得符合化妆品原料生产需要的”高产“和”功效“菌株。举个例子,皮肤对于功效性化妆品的吸收是与分子量相关的,由于皮肤屏障的存在,分子量越大的物质,越难以透过皮肤。如何降低功效性物质的分子量大小,使其能更顺利地渗透进入皮肤,是一个非常有意义的科学问题。迪美利用合成生物学技术,在γ-PGA的工业生产中,通过CRISPR-CAS9基因编辑技术和发酵原料控制,成功实现γ-PGA分子量可控制备。

广东省科学院微生物研究所  研究员
广东迪美新材料科技有限公司  首席科学家
施庆珊


来源:荣格-《国际个人护理品生产商情》

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