中国工程院黄和院士：合成生物学赋能食品制造，助力大健康产业升级发展

动脉vcbeat

2025-01-02 08:00发布于重庆科技领域创作者

在12月24日刚刚结束的2024健康大会上，来自医疗健康行业的知名专家学者、企业家和领军人才，围绕AI赋能医药行业、医药行业的AI运用场景等大健康主题，共同探索AI在医疗健康领域的创新应用与发展前景。大会现场邀请了三位院士为与会者带来主旨演讲。

其中，在合成生物学领域深耕多年的黄和院士以《合成生物学赋能食品制造，助力大健康产业升级发展》带来分享，为我们深入剖析了这一新兴学科在食品健康领域所蕴含的巨大潜力与变革力量，引发广泛关注与深入思考。

中国工程院院士、南京师范大学副校长黄和

黄和院士以微生物资源开发利用为核心，发展了代谢工程物质能量耦合调控和代谢网络全局性系统调控理论，开发了非模式工业微生物合成生物学精准高效改造的系列方法，实现了以生物质为原料的多种新型发酵产品工业生产。主要研究工作先后获国家技术发明二等奖2项（均排名一）、省部级技术发明一等奖5项（4项第一、1项第二）、何梁何利科学与技术青年创新奖、全国商业最高科学技术奖、闵恩泽能源化工杰出贡献奖、比尔及梅琳达•盖茨基金会青年科学家奖等。

生命科学“利器”！为年轻学者搭建产学融合的舞台

人类进入21世纪以来，一门新兴的交叉学科“合成生物学”成为国际科学前沿一大热门，也成为新质生产力的关键代表之一。正如黄和院士在演讲中提到：“现在大家讲到新质生产力，首先想到的就是智能制造和芯片；其次就是生物制造和合成生物学了。在学术界，合成生物学的热度更是有目共睹，2018年和2020年连续两届诺贝尔奖都授予该领域的科学家，使其备受全球关注。”

与传统诺奖成果在产业应用上常需漫长等待不同，合成生物学展现出独特的发展节奏。黄和院士指出：“这两位女士（卡彭蒂耶和杜德娜）在荣获诺贝尔奖前，就已经成功创立了基于合成生物学的企业，这些公司也先后在美国上市。”

合成生物学是一门融合了生物学、工程学和信息技术的交叉学科，旨在通过理性设计和构建新的生物部件、装置和系统，实现对生命过程的精准控制和优化，在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景，被誉为生命科学的“利器”。

在人才领域，合成生物学也是年轻科研人员的舞台。麻省理工学院的张锋教授打破校史最年轻的华人正教授记录；哈佛大学的刘如谦教授32岁便在该领域取得重大突破，伦敦大学学院利用该技术理念成功治愈白血病病人患者。

正如黄和院士所说：“我理解的合成生物学，不仅是一个基础研究与产业应用紧密结合领域，而且还是非常适合中国年轻科研工作者的领域。”值得一提的是，在2023年，年仅49岁的黄和院士凭借其卓越的科研实力以及众多突破性成果，成功当选为中国工程院院士。

合成生物学作为21世纪生物科学领域新崛起的一门分支学科，目前正处于蓬勃发展的黄金时期，展现出巨大的潜力和广阔的前景。在这一领域中，以黄和院士为代表的中国学者们表现活跃，他们不断挖掘合成生物学的新应用和新突破，为学科和产业注入活力。

从甜、酸味剂到DHA，微生物发酵的深度应用与创新

合成生物技术已从理论探索走向实际应用，逐渐渗透到各行各业，在医疗、农业、能源等领域已展现出巨大的应用潜力和市场价值。

面对高速增长的市场，黄和院士以与人们日常健康状况紧密相关的“甜味剂”“酸味剂”以及“DHA”作为实例，深入阐释了合成生物学和产业界之间的内在联系，让与会者更清晰地认识到合成生物学如何从实验室走向产业。

（一）甜味剂的扩张与变革

随着人们健康意识的不断提高，对糖的需求发生了深刻变化。黄和院士提到：“世界卫生组织（WHO）对23个国家人口的死因进行了研究，发现长期嗜食高糖食品的人比正常饮食的人平均寿命短10-20年。世界卫生组织建议，成人和儿童的糖摄入量应控制在每天不超过50克，最好不超过25克。”

在这种背景下，甜味剂市场迎来了新的机遇与挑战。传统的木糖醇虽曾是常见的甜味剂，但因其对肾功能代谢障碍人群存在潜在风险（FDA和Animal Poison Control Center），逐渐被市场重新审视，而赤藓糖醇凭借其相对安全性脱颖而出。

黄和院士介绍道，“赤藓糖醇是一种在自然界中广泛存在的天然物质，常见于西瓜等水果蔬菜中。但其传统提取方法成本较高，远高于白糖的价格。这导致赤藓糖醇难以替代白糖，实现广泛的商业化应用。”

合成生物学的出现改变了这一局面。通过底盘生物改造和发酵法，近年来赤藓糖醇的生产成本大幅降低，从7万/吨降至2万/吨，进而催生了众多爆款无糖饮品。

与此同时，市场的快速扩张也带来了新的问题。黄和院士指出，“赤藓糖醇产量在五年内，从不到千吨飙升至如今的数十万吨，其价格也随之跌至万元/吨。”

在此市场环境下，黄和院士着重强调，一方面企业应加强自律，避免在单一市场过度扩张而引发不良后果。另一方面，从技术层面审视，目前可供选择的糖类相对有限。以甜菊糖苷为例，若能攻克其后苦味的问题，将成为极具潜力的健康糖类选项。此外，山梨糖醇、罗汉果糖等也在近年来陆续推向市场。

展望未来，随着生活节奏加快与压力增大，民众对甜味的需求有所提升，且对代糖类产品的品质与口感要求越发严苛，这也意味着代糖类产品的市场开拓潜力巨大，值得相关企业深入探索与研发。

（二）百亿苹果酸市场的诞生

在饮料口感的构建中，酸味剂起着关键作用，但相较于甜味剂的快速发展，酸味剂的进步较为缓慢。黄和院士说：“酸味剂不像甜味剂般琳琅满目，酸味剂进步非常保守，第一代酸味剂为磷酸，其强溶解性对牙齿健康存在潜在危害；第二代为柠檬酸，目前柠檬酸在中国生产超过30年且产能过剩，企业盈利微薄；当前，苹果酸因其不直接参与脂肪代谢，目前已成为更健康的酸味剂选择。”

据悉，传统化学法合成的DL型苹果酸，因D型苹果酸不能被人代谢，存在潜在风险，美国联邦法律规定其不能用于婴儿食品。因此，利用发酵法生产L型苹果酸成为研究重点。

黄和院士团队通过合成生物技术改造生产柠檬酸的黑曲酶来生产苹果酸，取得了显著成效。“过去三年，我们通过改造黑曲酶，使苹果酸发酵产量工业发酵接近200g/L，原本7万/吨的苹果酸，现降至2万/吨，已可用于食品领域。若苹果酸可以取代20%柠檬酸的市场，再加上自己的市场，将有望催生出一个价值百亿的合成生物学产业。”

为了进一步推动生物发酵苹果酸的产业化进程，黄和院士团队已与国投集团达成合作，计划用三年时间建设3万吨苹果酸发酵项目。目前，团队在常州已完成3百吨苹果酸的生产，首个集装箱也已运往美国，进一步提升我国在生物发酵产业领域的国际竞争力和影响力。

（三）AI+生物发酵制备Omega-3脂肪酸

DHA是人体所必需的一种多不饱和脂肪酸，在多个领域具有重要应用，在婴儿配方食品、宠物饲养及水产养殖等方面需求持续增长。鱼油中含有两种主要的Omega-3脂肪酸：EPA（硬脂酸）和DHA。此前20年，为满足婴儿配方食品对EPA的限制，黄和院士团队将EPA含量从5%降至1%。

由于近年来从鱼油提取DHA面临海水污染和环境问题以及资源短缺等问题，如何通过生物发酵的方式，将DHA中的EPA含量从1%提升到15%，是团队面临的又一难题。

“我们用机器学习的方法将裂殖壶菌的PKS（聚酮合酶途径）进行重新构建，在维持DHA为45%时，使EPA从1%提至15%”，黄和院士介绍说。此外，团队还借助机器学习和人工智能技术，在6个月内用新菌将DHA从0%提升至59%，达世界最高水平，相关成果于2024年发表于《Nature Chemical Biology》。目前，该项目正在进行中试，有望一年内推出样品进入医药界，为我国DHA产业的升级和拓展提供了新的方向。

产学研政携手共进，打造“AI+”创新产业生态

毋庸置疑，合成生物学正在引领生物产业的变革。但在合成生物技术、产业高速发展的同时，黄和院士也指出行业的发展正面临重要挑战。

为了进一步推动我国合成生物学产业的发展，黄和院士呼吁更多年轻人加入。其所在的南京师范大学为全国较早开设合成生物学专业的高校之一，为产业培养后备人才提供助力。

对于合成生物学的未来发展，黄和院士依据专业知识和科研经验，指出三个有潜力的方向：AI在工业酶设计中的深度应用、AI对基因编程的有效辅助、优质基因的快速定制生产。这三个方向围绕合成生物学与AI的融合，有望解决行业现存问题，助力我国生物制造产业实现从传统向现代、从低端向高端的转型升级，从而为经济社会的可持续发展注入强大动力。

产业实践方面，全国各地的合成生物学产业园区发展迅速。黄和院士分享道：“南师大，积极深化校企合作，推进成果产业化。我们筹建了南京师范大学常州合成生物学产业研究院，总投资达到1.5亿元。研究院产业定位于合成生物学相关领域的技术孵化和产业化，致力于完成人才-科技-资本-产业的有效集聚。”

在全球科技竞争日益激烈的今天，合成生物学作为新兴的交叉学科，在全球产业格局中扮演越来越重要的角色。其在食品健康领域的应用仅仅是一个缩影，未来，在医药、能源、环境等诸多领域都有着无限的潜力等待我们深入挖掘。

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