利用合成生物学方法，廉价的海洋生物红藻摇身一变成为价格昂贵的稀有人参皂苷。近日，华南理工大学这一“点石成金”的研究成果荣获国际遗传工程机器大赛（iGEM）金奖。该项赛事是合成生物学领域的国际顶级学术性竞赛，很多科研成果通过赛事获得资本关注，得以快速实现产业化。
红藻何以“变出”原本只有人参体内才有的营养物质？这项发明将对哪些产业产生影响？本期《科技周刊》，我们前往一探究竟。
痛点：稀有人参皂苷价值高难获得
人参自古以来就被国人认定是滋补佳品，现代循证科学表明，人参皂苷是人参体内重要的营养物质之一。其中，两类稀有人参皂苷Rh1和Rh2功效尤为显著。
华南理工大学食品科学与工程学院副院长、教授娄文勇告诉记者，稀有人参皂苷Rh1具有很强的抗氧化性，常被用在化妆品领域，是很多高端化妆品的核心原料。它还有很强的药用价值，人体内的自由基对心血管内壁会产生比较大的伤害，而稀有人参皂苷可以有效清除自由基，保护心血管。此外，它还有抗癌的功效。
稀有人参皂苷试剂
稀有人参皂苷Rh1在人参中含量极低，这一物质属于人参自身代谢产生的亚产物，人参体内含量仅有万分之一。如果用传统方法，仅种人参就需要5年，要想提纯出稀有人参皂苷，成本和技术投入更是巨大。
“目前市场上1克稀有人参皂苷的价格是2万元，远超黄金。要让稀有人参皂苷变成广大消费者用得起的商品，光靠农业种植提取显然不现实，一定要进行工业化生产，这让我们想到了用合成生物学方法来实现。”华南理工大学食品科学与工程学院教授吴晓玲说。
难点：将红藻变为稀有人参皂苷
娄文勇介绍，选择生长于海洋的红藻进行稀有人参皂苷生产出于多方面考虑——首先，原料廉价易得，全球海洋藻类生物总量已达3500万吨，尤其在中国，海洋藻类资源非常丰富。其次，红藻体内有接近70%的碳水化合物，比常见的玉米等粮食作物含量还要高，用其做原料比使用粮食更经济。再次，红藻内碳水化合物经过水解后，产生的两种特殊有机物将成为人工改造的酿酒酵母的“粮食”，经过一系列代谢通路后，就可以合成稀有人参皂苷Rh1。
代谢通路仿佛是一条“高速公路”，需要对酵母体内的酶进行基因编辑和改造，从而畅通整条“高速公路”，最终达到工业化生产稀有人参皂苷Rh1的目的。
“要提高整条代谢通路上各种关键酶的活性，需要通过定点突变、定向进化等手段，将代谢通路上各种关键酶的活性和稳定性提升上来，让这些经过改造的酶可以顺利与红藻底物发生反应。”娄文勇说，团队通过引入5个核心酶基因，最终实现了从红藻底物到稀有人参皂苷的完整合成途径。“除了引入核心酶基因以提升活性，我们还要提升酶的表达量，这就需要通过代谢工程改造整体提升酶代谢的能量供给。”吴晓玲说。
稀有人参皂苷粉末
经过一系列研发工作，团队成功实现了“红藻底物—工程酵母—高效合成Rh1”的绿色生物制造体系开发，实现了稀有人参皂苷的低成本可持续生产。娄文勇说：“我们将酿酒酵母改造为‘细胞工厂’，构建一套完整的底盘系统，再通过高密度发酵、分离纯化等技术，就可以工程化地将红藻底物合成为稀有人参皂苷Rh1。”
亮点：AI让原先一年的活一个月干完
在实现“红藻变人参”的过程中，人工智能发挥了非常重要的作用。
吴晓玲介绍，团队结合FBA代谢建模、AlphaFold2辅助酶筛选等实验手段大幅提升研发效率，并由此成功掌握了“AI辅助分子建模+酵母代谢工程改造+红藻高值化利用”核心技术。
其中，FBA是一种基于数学建模分析代谢网络中代谢物流动的计算方法，可以预测生物体在特定条件下的代谢表型。利用FBA，团队可以模拟推算酵母细胞在不同环境状态下合成稀有人参皂苷Rh1的产物生成速率。
AlphaFold在2024年荣获诺贝尔化学奖，它可以预测蛋白质结构。“酶就是一种蛋白质，合成生物学的关键，就是要将通路上关键的酶进行定向突变，让改造后的酶能在底盘细胞内产生高活性。没有AlphaFold之前，我们需要人工筛选很多酶的突变体，找到活性最高的那一个。有了AlphaFold，找到活性最高的酶就方便多了。可以说，以前要一年才能完成的工作量，现在一个月就可以完成，方便我们可以有目标、有针对性地改造酶。”娄文勇说。
如今，AlphaFold升级版AlphaFold2的预测结果几乎已达到冷冻电镜观测水平，可解析几乎所有已知蛋白质结构。
企业“种参”烦恼引出红藻“变身”的科研奇缘
在学院实验室内，吴晓玲教授向记者展示了晒干的红藻干和已合成的稀有人参皂苷粉末。她表示，将红藻干研磨成粉、水解、再经过一系列生物合成的加工，实验室制作的稀有人参皂苷产量已达220mg/L。
“我们正在通过高密度发酵和优化代谢调控，让产量进一步提升，实现每升溶液含约800毫克的稀有人参皂苷。”娄文勇告诉记者，未来，通过生物合成的稀有人参皂苷有望快速投入产业化。
回顾科研历程，娄文勇表示，最初，广州的一家化妆品企业找到团队，希望解决生产中遇到的难题，“企业最初希望我们能通过科研攻关，将人参皂苷转化为稀有人参皂苷Rh1，这样就能获得更好的化妆品功效。我们了解到，企业为了获得人参皂苷，一直在长白山种植人参。但人参从种植到收获需要很长时间，还可能遭遇各种自然灾害等不确定因素，导致原料成本非常昂贵。且人参皂苷浓缩、提取技术存在难度，所以，我们想要从头开始，用廉价的红藻以及合成生物学方法直接合成稀有人参皂苷。”
“经企业检验，我们用合成生物学方法获得稀有人参皂苷Rh1生产的化妆品已与企业使用原始方法制成的化妆品功效一致。”娄文勇表示，未来，使用稀有人参皂苷制成的化妆品和保健品，有望“飞入寻常百姓家”。
iGEM大赛：诞生多家顶级合成生物学企业
国际遗传工程机器大赛（iGEM）由美国麻省理工学院于2003年创办，是合成生物学领域的国际顶级学术性竞赛。大赛以合成生物学为核心，涉及数学、工程学、信息科学、艺术设计等多领域的交叉合作。
2025年国际遗传工程机器大赛全球总决赛在法国巴黎举行，大赛共有来自50多个国家和地区超过400支队伍参赛，总人数超过5000人。赛事不仅包含传统的项目答辩、海报展示环节，还同步举办了合成生物学峰会、生物创新展等活动，成为全球青年科研者交流前沿技术、对接产业资源的核心平台。
红藻干
团队成员站在巴黎赛场答辩舞台上展示项目、交流心得，凭借“红藻变人参”项目获得现场评委的高度评价并斩获比赛金奖。
值得一提的是，大赛银奖颁给了华南理工大学另一个参赛项目“太空原位蛋白合成系统的构建”。
多年来，iGEM的参赛项目已产生多家国际顶尖合成生物学企业。例如，2006年多位麻省理工学院学生参加iGEM比赛，他们的比赛项目是微生物生产香料成分，不久，他们就借此成立了公司GinkgoBioworks，如今，它已成长为美国合成生物学领域的顶尖企业，公司总融资超过7.19亿美元。
在中国，合成生物学企业蓝晶微生物也与iGEM有缘，创始人李腾和张浩千分别属于清华和北大的两支iGEM团队。蓝晶微生物成立于2016年10月，目前是国家级高新技术企业、生物制造独角兽企业、国家重点研发计划承担单位，产出发明专利等科技成果近百项。截至目前，蓝晶微生物已完成了近13亿元融资。
科研机构谈创新
中国科学院南海海洋研究所：
实现从原料到终端产品的闭环转化
中国科学院南海海洋研究所研究藻类生物已有60多年历史，拥有多个藻类研究团队，拥有华南地区规模最大的经济微藻种质资源库。其筛选获得30多株具有良好商业开发前景的经济海藻新资源藻种，开展了海水螺旋藻、小球藻、紫球藻、卡帕藻（麒麟菜）、石莼等新兴经济海藻的育种/养殖工作，建立了国际上首个全海水螺旋藻产业化养殖与加工基地；拥有海藻功能产物中试车间，研制开发了系列海藻高值化产物、新材料和终端生物制品。
围绕海洋褐藻活性多糖的提取技术与应用，该研究所构建了从基础研究到产业化的全链条转化体系，已与多家企业深度合作，并取得了阶段性成果。
在化妆品领域，该研究所已成功开发了多个海藻多个功能产物的系列化妆品。其中，通过太空育种获得的太空海水螺旋藻诱变藻种H11，其功效成分得以大幅提升，开发出了高端功能化妆品“太空藻”系列并成功推向市场，近5年来已实现近10亿元的产值。
该研究所与相关企业建立了长期稳定的合作关系，协助推出了系列护肤品，实现了从原料到终端产品的闭环转化。相关产品上市后反响良好，累计销售额已突破8354.49万元，复购率居于行业前列。
同时，该研究所在生物医疗器械研发、皮肤用药、海藻养殖、新型微藻调水剂研制、功能产物提取、功能食品新产品开发与海藻饲料应用等广泛领域与多家企业实现长期合作，为绿色高值化海藻资源利用成果转化与海藻新质生产力培育作出重要贡献。
目前，该研究所已形成“化妆品—医疗器械—皮肤用药”三轨并进的产业化路径，覆盖了从日常护肤到专业医疗的多维应用场景。未来，该研究所还将继续拓展与更多行业领军企业的合作，推动海洋生物资源在“蓝色药库”战略框架下的深度开发与高效转化。
统筹编辑：梁倩薇、嵇沈玲
文、图/广州日报新花城记者：武威
（除AI生成漫画外）
