与传统方法相比，生物合成黄酮类化合物的优势在于：原料便宜；生产过程环保；不需要大规模种植植物；可以通过调控基因设计，让微生物精准生产目标化合物。

一种植物用于保护自身的物质，如今已成为人类化妆品中的关键成分。它便是来自大自然的护肤“神器”——黄酮类化合物。

北京化工大学生命科学与技术学院教授申晓林及其所在团队日前在《合成生物学》期刊上发表论文，系统阐释了黄酮类化合物生物合成及其在化妆品中的应用。“传统方式生产黄酮类化合物具有明显局限性，如今，生物合成方式大有可为。”申晓林说。

美白抗氧化功能显著

申晓林介绍，黄酮类化合物是一类化学物质的合称，包括槲皮素、儿茶素、染料木黄酮、芹菜素等。这些物质广泛存在于自然界植物中，例如柑橘、茶叶、大豆中都含有黄酮类化合物。

黄酮类化合物之所以具备护肤功效，关键在于其多羟基的结构特征。这种独特的结构赋予了黄酮类化合物强大的抗氧化能力，可以直接清除活性氧、增强抗氧化酶活性、抑制氧化酶功能等。

申晓林举例说，作为黄酮类化合物的一种，根皮素能有效清除多种自由基，在美白抗氧化类化妆品中展现出重要价值。有研究表明，根皮素还可以协调细胞代谢，增强细胞的抗氧化能力。

除了抗氧化，黄酮类化合物的消炎、抗菌功效也很突出，能抑制多种细菌的生长。以柚皮素为例，它展现出广谱抗菌性，可不同程度地抑制链球菌、金黄色葡萄球菌、白色念球菌和黑曲霉等细菌的生长。

“木犀草素可以减少由脂多糖引发的炎症反应，芹菜素可以抑制炎症和过敏反应的发生。黄酮类化合物的这些功效均已得到相关研究证明。”申晓林说。

目前，多种护肤霜和精华液中都添加了黄酮类化合物成分。它们在美白、抗衰老、舒缓肌肤等方面发挥着重要作用。

生物合成方法更环保

为获取黄酮类化合物，人们研发出了两种传统的生产方式，一是从植物中提取，二是化学合成，但这两种方法都有明显的局限性。

在北京化工大学天然活性成分生物合成与高效分离实验室成员韦灵珍看来，植物提取法存在提取过程复杂、依赖耕地种植且受季节限制等缺点，化学合成法则存在步骤繁琐、成本较高等问题。在这种情况下，科学家开发出了生物合成获取黄酮类化合物的方法。

生物合成的基本原理是把植物里合成黄酮类化合物的关键基因“搬到”大肠杆菌、酵母菌等微生物中，使其能够生成黄酮类化合物。“每个微生物都像是一座制造黄酮类化合物的小车间。”申晓林形象地比喻道。

和传统方法相比，生物合成法的优势在于：原料便宜，如葡萄糖就能作为碳源；生产过程环保；不需要大规模种植植物；可以通过调控基因设计，让微生物精准生产目标化合物。

产量瓶颈有待突破

“原理虽然简单，但操作并不容易。”韦灵珍举例说，为提高生物合成柚皮素的产量，研究人员采用了各种代谢工程策略，例如理性设计关键酶、优化通路基因、增加前体供应、增强启动子和优化密码子等。

科学家在实验中不断尝试新的策略和方法，旨在突破生物合成法遇到的各种瓶颈，其中，产量受限是最为突出的问题。

许多合成黄酮类化合物所需的植物酶在微生物中难以正常表达或活性不足。同时，前体物质如酪氨酸等芳香族氨基酸以及丙二酰辅酶A供应不足，常常限制合成效率。此外，代谢网络中还会产生较多副产物，例如苯丙酸、对羟基苯丙酸等与目标产物竞争碳流，从而进一步限制黄酮类化合物的生物合成。

申晓林举例说，芦丁兼备广泛的药理学活性和高抗氧化能力，是黄酮类化合物中具备防晒、抗衰老功能的代表性物质。

目前，生物合成芦丁多依赖外源添加槲皮素。“实现芦丁的从头合成一直面临复杂挑战。主要问题之一是前体槲皮素产量不足，尚未达到能够支持芦丁高效从头合成的水平。此外，可用于芦丁合成的后修饰酶也较为匮乏。这些问题均限制了芦丁的从头合成。”申晓林告诉记者。

“在黄酮类化合物的合成里，有些关键酶，如鼠李糖转移酶工作效率不高，就像生产线上的瓶颈工序，也会拖慢合成整体速度。”申晓林介绍。

那么，解决这些问题的出路在哪？申晓林说，每种物质在合成过程中遇到的问题不尽相同，但也有一些共性瓶颈，或许可以找到通用的方法取得突破。

目前，科学家正在通过改造和优化合成途径来提升黄酮类化合物的产量，同时改良常用的微生物，如大肠杆菌、酵母菌等，使它们更适合承担黄酮类化合物的生产任务。

此外，新兴的计算机科学和人工智能也有望发挥作用。例如，人工智能可以辅助设计更高效、更稳定的合成黄酮类化合物所需的酶。相关研究团队开发的深度学习模型能够准确预测包括蛋白质、核酸、小分子和修饰残基在内的生物分子的三维结构，为酶改造工程提供了一个强大的计算平台。

“我们期待，在各种新技术手段的帮助下，可以不断突破瓶颈，实现黄酮类化合物更高效、可持续的生产。”申晓林说。（科技日报 记者孙明源）