文|聚美麗 小栗子

2022年9月23日，合成生物技術(shù)碳捕捉公司LanzaTech與香精香料巨頭奇華頓（Givaudan）達(dá)成了一項(xiàng)合作協(xié)議：雙方將共同開(kāi)發(fā)，利用合成生物技術(shù)碳捕捉，生產(chǎn)奇華頓產(chǎn)品組合中所使用的關(guān)鍵香氛成分。

近兩年，合成生物學(xué)在化妝品研發(fā)中越發(fā)熱門(mén)，有觀點(diǎn)認(rèn)為該技術(shù)能提供“超過(guò)100%”的市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品，更有人將其稱(chēng)為“引起生產(chǎn)變革的新能源”。上述合作意味著合成生物學(xué)的這股“浪潮”也席卷到了香水香氛這一細(xì)分領(lǐng)域。

事實(shí)上，合成生物技術(shù)在香精香料的應(yīng)用很早就引起了部分企業(yè)的關(guān)注，一些香精香料企業(yè)和生物公司也已經(jīng)推出了具有香味的生物合成原料。

基因改造，以“細(xì)胞工廠”生產(chǎn)天然產(chǎn)物

LanzaTech的核心技術(shù)依托于一種名為“產(chǎn)乙醇梭菌”的自養(yǎng)微生物：該類(lèi)細(xì)菌擁有最古老的碳固定代謝途徑Wood-Ljungdahl，能夠?qū)蓚€(gè)二氧化碳分子轉(zhuǎn)化成為乙酸。產(chǎn)乙醇梭菌，正如其名，這是一種能夠天然固碳，最終生產(chǎn)乙醇的細(xì)菌。

根據(jù)專(zhuān)利對(duì)生產(chǎn)2-苯乙醇的描述顯示，從Wood-Ljungdahl碳固定途徑開(kāi)始，產(chǎn)乙醇梭菌能夠利用合成氣天然產(chǎn)生“苯丙酮酸鹽（Phenylpyruvate）”，以此為起始，通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)入異源酶基因（脫羧酶和苯乙醛還原酶），便可以實(shí)現(xiàn)2步反應(yīng)生產(chǎn)得到2-苯乙醇。

研究人員還同時(shí)異源地表達(dá)了莽草酸鹽途徑的3個(gè)基因（DAHP合酶、莽草酸脫氫酶、雙官能分支酸變位酶/預(yù)苯酸脫水酶），并進(jìn)行了組合測(cè)試。

最終，在產(chǎn)乙醇梭菌改造了5個(gè)基因和組合測(cè)試下，LanzaTech的研究人員成功實(shí)現(xiàn)：利用合成氣碳捕捉生產(chǎn)2-苯乙醇，產(chǎn)量為200mg/L。

文章開(kāi)頭所提到的該公司與奇華頓的合作也正是基于“產(chǎn)乙醇梭菌”的進(jìn)一步改造，以生產(chǎn)出所需的香精香料成分。

芬美意科學(xué)家從廣藿香植物中發(fā)現(xiàn)并分離出了廣藿香醇合成酶的基因，將其植入酵母中，以蔗糖為起始原料，通過(guò)酵母發(fā)酵獲得Clearwood 這款原料。

這款原料由于沒(méi)有蒸餾過(guò)程，Clearwood 中不含鐵離子，比起傳統(tǒng)藿香油，不會(huì)出現(xiàn)氧化、變色、變質(zhì)的情況。

廣藿香油作為基礎(chǔ)的木香原料，廣泛應(yīng)用于近40%的日化香精和高級(jí)香水配方中。Clearwood 可以像藿香油一樣使用或高劑量使用，用以構(gòu)建一種全新的木香香韻。它雖然富含藿香醇，但不會(huì)取代天然藿香油，從色譜對(duì)比圖來(lái)看，與天然藿香油存在一定差異，可作為一種藿香香韻的補(bǔ)充。

但該原料的天然等級(jí)曾受到質(zhì)疑，不僅是因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因生物（酵母經(jīng)過(guò)基因改造），還因?yàn)榇嬖趶V藿香醇乙醚，該物質(zhì)未列入廣藿香精油130種已公布的成分中，之前在自然界中也未被鑒定。

檀香油是另一種重要的木本天然成分，天然檀香油的傳統(tǒng)提取方式是通過(guò)水蒸氣蒸餾檀香木心而獲得的。天然檀香油主要由倍半萜烯醇組成，其中(Z)-α-檀香醇和(Z)-β-檀香醇占80-90%，通常認(rèn)為這些檀香醇是檀香香氣的主要貢獻(xiàn)物質(zhì)。

生物合成研究揭示了一種常見(jiàn)的倍半萜合酶在檀香屬植物中的作用，它可以將金合歡基二磷酸（FPP）轉(zhuǎn)化為α-和β-檀香烯、反式β-香檸檬烯、(Z)-β-檀香烯和(Z)-β-金合歡烯。通過(guò)P450單加氧酶對(duì)α-和β-檀香烯進(jìn)行化學(xué)選擇性羥基化，可形成檀香的芳香倍半萜醇。

研發(fā)企業(yè)通過(guò)在重組細(xì)胞中克隆這些基因，可以工業(yè)化實(shí)施發(fā)酵過(guò)程，生產(chǎn)出Dreamwood 。

奇華頓在專(zhuān)利申請(qǐng)中表示，Akigalawood 的生產(chǎn)利用了表達(dá)葡萄和廣藿香倍半萜合成酶的重組微生物，以FPP生產(chǎn)α-愈創(chuàng)木烯和莎草奧酮。該專(zhuān)利提到微生物可以在體內(nèi)從糖中生產(chǎn)FPP，但該特定點(diǎn)未在專(zhuān)利說(shuō)明中列出。之前的研究中已闡明了葡萄中α-愈創(chuàng)木烯的生物合成，并鑒定了相關(guān)基因。

莎草奧酮是一種有氣味的倍半萜類(lèi)物質(zhì)，存在于多種天然產(chǎn)品中，尤其是紅葡萄酒中，具有辛辣、木香的嗅覺(jué)感受。

Ambrofix 的生產(chǎn)采取了利用改性酵母的生物技術(shù)制造工藝。在改造的釀酒酵母中，金合歡烯合酶異源表達(dá)，F(xiàn)PP在該酶的催化下產(chǎn)生(E)-β-金合歡烯。且高濃度(E)-β-金合歡烯可被釀酒酵母所耐受，故該工藝具有較高的生產(chǎn)力。（100g葡萄糖可生產(chǎn)高達(dá)3.8 g的(E)-β-金合歡烯）

(E)-β-金合歡烯可通過(guò)兩步化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為(E,E)-均金合歡醇，(E,E)-均金合歡醇通過(guò)角鯊烯-霍普烯環(huán)化酶（SHC）酶環(huán)化為(-)-龍涎呋喃，該酶可由微生物分離或異源表達(dá)。

龍涎香是抹香鯨（Physetter macrocephalus）的一種病理性分泌物，難以獲取，該香料又較為知名，故龍涎香相關(guān)化合物的合成一直以來(lái)受到廣泛關(guān)注。

芬美意曾推出Ambrox Super和Z11 兩項(xiàng)專(zhuān)利，均為龍涎香相關(guān)的成分（從目前透露的資料來(lái)看，似乎涉及生物技術(shù)，但與合成生物技術(shù)無(wú)關(guān)）。巴斯夫的一項(xiàng)專(zhuān)利也提到了一種均金合歡醇龍涎香烷環(huán)化酶，它可以從檸檬醛中得到(-)-降龍涎醚。

而通過(guò)發(fā)酵進(jìn)行生物合成的龍涎香原料在規(guī)模上或許更具優(yōu)勢(shì)。

除上述描述的這些原料外，還有不少企業(yè)也推出了生物合成原料，例如：法國(guó)香精制造商Robertet曾聯(lián)合Ginkgo Bioworks生產(chǎn)出具有強(qiáng)烈桃子氣味的 γ-癸內(nèi)酯以及玫瑰精油成分；巴斯夫和生物科技公司Conagen合作生產(chǎn)香蘭素等等。

并且，一些相關(guān)的研究項(xiàng)目雖未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但已經(jīng)有了成果，合成生物學(xué)在香精香料上的研發(fā)正被持續(xù)推動(dòng)著。

中科院大連化學(xué)物理研究所以酵母為細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)了香紫蘇醇（龍涎香前體）高效生物合成，其產(chǎn)量達(dá)到20g/L；且其建立的分離純化方法使得純度能夠達(dá)到99.8%。

2021年的國(guó)際基因工程機(jī)器大賽上，ELIXIO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)線路，使用工程化的酵母與藍(lán)藻，使其分別生產(chǎn)天然產(chǎn)物紫羅蘭酮、芳樟醇和紫羅蘭葉醛。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)利用合成微生物組共培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)，循環(huán)利用二氧化碳，減少碳源的投入。

生物合成緩解香料困境——低成本、穩(wěn)定、可持續(xù)

在過(guò)去，天然香精香料的來(lái)源主要是動(dòng)物和植物。隨著各國(guó)與動(dòng)物保護(hù)有關(guān)的禁令相繼發(fā)布，以及消費(fèi)者對(duì)“零殘忍”的要求不斷提升，現(xiàn)在的企業(yè)盡量避免采用動(dòng)物性原料。

而植物性原料受天氣、地域等影響，質(zhì)量和成本并不穩(wěn)定；同時(shí)部分植物原料的獲取需要時(shí)間的沉淀，其中一些植物已處于瀕危狀態(tài)等，這些都成為了制香產(chǎn)業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

為了應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，香精香料很早就開(kāi)始探索取代天然原材料的方式，最初使用的便是化學(xué)合成方式，隨著科技的發(fā)展，才將目光投向了生物合成。

無(wú)論是化學(xué)還是生物合成，合成技術(shù)都帶來(lái)了許多好處：

1）能再現(xiàn)一些不易自然提取的或者瀕危動(dòng)植物的成分，如降龍涎醚的化學(xué)合成受到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注；

2）能保證原材料的穩(wěn)定性，合成在確定的環(huán)境和規(guī)劃的流程下進(jìn)行，避免了自然界的各種不確定因素以及致敏原；

3）能夠降低生產(chǎn)成本。

但是，當(dāng)今的消費(fèi)者相比較化學(xué)合成，更崇尚“天然”，且化學(xué)合成生產(chǎn)中帶來(lái)的環(huán)境污染也是一大問(wèn)題。

通過(guò)基因工程，利用微生物生產(chǎn)出香味成分的方式比起化學(xué)合成更接近“天然”，這相當(dāng)于為生產(chǎn)搭建了“生物工廠”。

且美國(guó)和歐洲現(xiàn)行法規(guī)顯示，通過(guò)微生物發(fā)酵生產(chǎn)的生物合成產(chǎn)品，被認(rèn)為是“天然”或基本上等同于“植物衍生產(chǎn)品”。相比之下，一些以石油成分為起始原料的化學(xué)合成香精香料不能貼上“天然”標(biāo)簽。除此之外，生物合成的方式對(duì)于環(huán)境也更加友好。

從長(zhǎng)期視角來(lái)看，以合成生物學(xué)進(jìn)行的原料生產(chǎn)成本更低，產(chǎn)量更高，也更可持續(xù)，這也引得多個(gè)香精香料巨頭紛紛在這一技術(shù)領(lǐng)域布局。

注：此表根據(jù)公開(kāi)信息不完全統(tǒng)計(jì)

并且，在香水品牌端，一些生物合成原料已經(jīng)被運(yùn)用到香水和個(gè)護(hù)產(chǎn)品中。

例如，寶格麗極低冰峰男士淡香水的配方中就添加了Clearwood 作為基調(diào)，這是一款適合一年四季的木質(zhì)調(diào)香水；范思哲迪倫藍(lán)女士淡香水中也將此作為基調(diào)。

圖：左為寶格麗極低冰峰男士淡香水，右為范思哲迪倫藍(lán)女士淡香水

芬美意的另一款合成原料Dreamwood 在不少產(chǎn)品中有所添加，例如冰希黎的泡沫情人和午夜紫檀精粹香水，前者整體為柑橘木香調(diào)，后者的尾調(diào)中則可以感受到Dreamwood 的檀香。

圖：左為泡沫情人，右為午夜紫檀

而奇華頓的Akigalawood 似乎在香水中應(yīng)用得更為廣泛，Miu Miu的兩款香水（Miu Miu Eau de Parfume和Miu Miu L'Eau Bleue）均以此作為基調(diào)；Parfums de Marly Valaya則以此作為降調(diào)，整體為花香型果味調(diào)。

圖：左為Miu Miu香水，右為Parfums de Marly Valaya

隨著合成生物學(xué)在香精香料的應(yīng)用推廣，香水香氛細(xì)分領(lǐng)域不僅能實(shí)現(xiàn)天然可持續(xù)，擁有質(zhì)量穩(wěn)定的來(lái)源，在新香味的開(kāi)發(fā)上也將擁有更多可能。合成生物技術(shù)正推動(dòng)著行業(yè)不斷向前發(fā)展。

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