基因港创办人王骏开发体外酶生产体系,取代以往体内发酵工艺,成功以低成本工业化,生产了谷胱甘肽(广泛用于美白皮肤产品)、腺苷蛋氨酸(保养肝脏和舒适关节)和 NMN(抗衰老)等多种产品。酶的工业应用前景无限,可能开启下一波工业革命。
众创年代
上周,李嘉诚基金会向香港科技大学捐款港币5亿元,创立本港首个聚焦「合成生物科技」研究平台,并将命名「李嘉诚合成生物学研究院」。
从广义来说,合成生物学(Synthetic Biology)是指设计及构造新的生物实体(Biological entities),如细胞、酶(Enzymes)及基因线路(Genetic circuits),以重新设计现有的生物系统。
2014年,英国医学研究委员会(Medical Research Council,MRC)科学家,合成了首个由人工遗传物质制成的酶(artificial enzyme),上述分子能够以类似DNA方式储存和传递遗传物质。
MRC科学家以XNAs作为构建模块,制备了「XNAzymes」生物反应,可切割或缝合小片段RNA,就像天然的酶一样,上述的酶未在自然界出现,完全人工制造。DNA信息传递就始于RNA酶的复制;生命依赖一系列化学反应,从消化食物到细胞制造DNA,以及DNA遗传信息转录。上述人工的遗传系统也像DNA一样,可以储存和转录基因信息。
人工酶合成新生命
上述发现令合成生物出现新的可能性,不一定要用天然生物分子,以制作新的材料。上述人工酶甚至可以产生新反应,大幅提高化学反应,更可令新生命体出现。
去年,美国普林斯顿大学开发人工蛋白Syn-F4,可作为细菌内的酶,取代某些基因的催化反应,证明人工蛋白可修补某些基因的天然功能,完全可能现实和可控。虽然目前取代基因数量很少,随着更多人工蛋白出现,就可以工程方式,改善生命体的各种机能。
生命过程是由无数的生化反应所组成,没有酶催化这些反应,即无法维持生命运作。因为天然反应一般慢缓,酶可启动或『催化』并调节过程。人体内有无数种样的酶系,完成人体内新陈代谢过程,但某种酶或酶不足时,就会发生代谢的紊乱。普林斯顿大学利用人工蛋白,取代了一段大肠杆菌的基因序列获取铁元素的蛋白。
基因港酶制技术
酶亦在工业有极大用途,包括了用于制药,香港科学园内的基因港(GeneHarbor)就开发了首个完整且低成本酶制剂生物科技的平台,以体外酶法减低成本。酶及辅酶的催化作用,可用于精细化工、日用化工和制药。酶法制药可制造出具药用功效,不含有害物质,减少残余。但酶反应也有其缺点:提取工艺复杂,价格昂贵,催化反应完成就失去活性,不能重复使用。
基因港就用酶于制药和美容用品,据基因港始创人王骏教授,就是本地的合成生物学者,开发出可重复使用的酶及辅酶。
酶开发推动合成生物学,更可能是未来经济发展核心,基因学结合物理学、电算、数学、化学、工程学和设计﹑编写或修改微生的基因组建,可像机器般操作自如,制作出不同的化学物质。
大麻素应用广
李嘉诚属下维港投资,曾连续两轮融资美国初创Demetrix(种子及A轮),以合成生物学生产基因改造过的酵母细胞发酵来生产大麻素(Cannabinoid),即大麻(Marijuana)内有效化学成份。大麻素有极高药用、食品、美容价值。大麻素在疼痛、肌肉痉挛、青光眼、失眠、厌食、恶心、焦虑,近期也研究用于癌症治疗、配合化疗,甚至可杀死部分癌细胞,缩小癌细胞的体积。
外国以大麻二酚(Cannabidiol,CBD)的护肤品也大为流行,可减少发炎、控油腺、舒缓皮肤,提高皮肤保水能力。CBD也广泛应用于食品工业,甚至在糖果、饮品、甚至竉物产品上。
加大柏克莱分校Jay Keasling教授改造了微生物代谢途径,利用特定用途的酵母,产生不同生化产品,包括青蒿素,甚至生化燃料。Keasling技术授权予Demetrix,以合成生物学生产大麻素,并获维港投资连续两轮注资。(图片来源:加大柏克莱分校)
据Ackrell Capital研究报告,2029年全球大麻素市场规模,可达到1000美元。不过,大麻种植不是所有地方都合法,以合成生物方法,就可低价生产高质的大麻素,满足上述行业需求。
Demetrix始创人为加州大学柏克莱分校Jay Keasling教授,就是合成生物学权威,精于利用及改良微生物的代谢途径(metabolic pathway),以生产不同的有效药用成份;曾利用合成生物工程,低价生产青蒿素(Artemisinin)。
1972年,中国科学家屠呦呦从黄花蒿(Artemisia annua),以崭新研究手段,提取青蒿素作新型抗疟药,救治数以百万性命。
黄花蒿种植量不稳定,导致了价格极为波动。Keasling团队获微软创办人盖茨基金赞助,寻找黄花蒿的代谢途径,以开发出可合成青蒿素的酵母(Yeast)。Keasling发现了黄花蒿代谢途径后,Keasling以合成基因产生了特定用途的酵母,形成可模拟黄花蒿的多个酶催化反应,再以微生物工程,大量生产高质青蒿素。
2014年,Keasling整个制程以非谋利方式授权给法国药厂Sanofi;首批以酵母生产的青蒿素面世,2015年,屠呦呦获诺贝尔医学奖的同年,上述的酵素合成的青蒿素也在非洲抗疟爆发起了作用,共使用15万剂。
Demetrix也开发新型酵母以培养大麻素,由于与Keasling达成了上述制程的授权,更可生产一些极为稀有的大麻素,目前正开发100多种具药用及消费价值的大麻素。
李嘉诚向大学捐款成立「合成生物科技」平台,极具远见。本港多家大学已具备合成生物学的研究基础。由麻省理工学院于2004年创立iGEM(International Genetically Engineered Machine)比赛,为国际合成生物学界每年一度盛事,旨在促进大学生在合成生物学交流与合作,本港大学多次在iGEM获佳绩。本港大学亦有不少合成生物学的研究,论文甚至在顶级学术期刊上登载。近年,大量创投资金进入合成生物,亦有利学术研究转化成商业产品。