在传统染料行业，化学靛蓝曾长期占据主导地位，而用生物合成靛蓝成为一条新路径。这是4月13日在意大利米兰设计周拍摄的牛仔裙，作品将贵州传统蜡染的靛蓝、苗绣的图腾转化为国际设计语言，形成独特的美学。新华社发
在传统染料行业，化学靛蓝曾长期占据主导地位。然而，其背后隐藏着诸多环境与安全隐患。化学靛蓝生产和应用的过程中会排放出大量含有苯胺、N-甲基苯胺等有毒物质的废水，这些废水若未经妥善处理直接排放，会对土壤、水体造成严重污染。
用生物合成靛蓝逐渐成为获取天然色素的一条新路径。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）与道生生物（深圳）有限公司签署战略协议，双方将共建天然色素生物合成“创新联合体”团队，利用合成生物技术开发天然色素染料及天然药物。目前，该创新联合体正在聚焦黑色素的生物合成，已完成代谢通路的构建。
科研者与创业者的
“合成之路”
2019年，博士毕业两年后的陈明海来到深圳，成为深圳先进院副研究员和博士生导师，并从事生物分子、合成生物应用等领域研究。彼时，在湖南的袁小黎正从事板蓝根种植的农业项目，他在板蓝根种植中发现了靛蓝和靛玉红的提取价值。然而，袁小黎发现，通过农业种植提取色素存在诸多不确定性因素，于是他产生了一个想法，决定用生物合成的方式来提取天然色素。2020 年，袁小黎自己组建团队，在湖南创办了道生生物的前身。
2022年6月6日，深圳出台《关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见》，提出培育发展壮大“20+8”产业集群，其中就包括合成生物产业。看到了产业机遇的袁小黎，毅然决然带着团队来到深圳，成立道生生物（深圳）有限公司，并入驻了深圳先进院合成生物学研究所牵头建设的工程生物产业创新中心。这也为后续创新联合体的成立奠定了基础。
始终关注产业动态的陈明海，敏锐捕捉到合作契机。“我们了解到，道生生物还有除靛蓝之外其他天然色素生物生产的需求，而我们的实验室又在基于合成生物学技术开发高效底盘细胞生产功能性多肽方面具有较好的基础，完全可以一起合作！”日前，陈明海在接受记者采访时表示。
据了解，陈明海团队在基因编辑与菌株构建技术、代谢工程与通路优化、高通量筛选与定向进化方面都积累了一定的技术成果，比如掌握CRISPR-Cas9等基因编辑工具，可对微生物的基因组进行定点敲除、插入或调控，实现目标产物合成路径的重构。
“深圳先进院在基础研究领域具备显著的创新能力优势，其先进的科研团队与设备能够为企业提供强有力的前期研发支持；而我们在天然色素生物合成领域拥有扎实的研究积累和市场经验，且靛蓝已经实现了量产，因此双方几乎是‘一拍即合。’”袁小黎表示。
微生物与合成菌的
“改造之路”
相比于化学提取和植物提取，用合成生物方式来生产生物色素及生物药物原材料，不仅更环保，效率也更高。同时在化学性质与功能上，还能与自然界中原有的天然色素与药物原材料高度一致，这表明了合成生物学在精准制造与绿色生产领域的巨大潜力。
目前，这一方式在靛蓝提取的过程中得到了验证。袁小黎告诉记者，公司3天产出的生物靛蓝染料相当于72吨马蓝植物提取量，产能提升超100倍，而且相较于化学合成工艺，生物合成技术摒弃了苯胺、氰化物类有毒中间体。目前，全球首条8000升合成生物靛蓝生产线已在深圳建成投产。
随着市场变化，道生生物逐渐产生了黑色素的提取需求。黑色素染料具有出色的染色性能，且分子结构稳定，在纺织、印染行业备受青睐。因此，黑色素的合成成为创新联合体的主要目标之一，希望未来能和靛蓝一样实现量产。
然而，要提高黑色素产量并非易事，需要经过实验室测试阶段、中试放大阶段和量产阶段。其中实验室测试阶段相当于从“图纸”到“小工厂”。
“黑色素在自然界由动物、植物或微生物天然合成，我们团队通过生物合成技术，从蘑菇、细菌等生物中鉴定出合成黑色素的关键基因，如酪氨酸酶基因，将其像‘拷贝图纸’一样克隆到微生物（比如大肠杆菌）的DNA中，使微生物获得合成黑色素的‘能力’。”陈明海表示。其次，团队还需要将含目标基因的DNA导入微生物，培育出“工程菌”。“例如，改造大肠杆菌，使其能把蔗糖转化为酪氨酸，再通过酪氨酸酶催化生成黑色素——这时的工程菌就像一个微型的‘黑色素生产车间’。”陈明海说。
据了解，目前创新联合体以大肠杆菌为底盘细胞，通过提供酪氨酸和过表达酪氨酸激酶的基因，已经实现以大肠杆菌为底盘细胞产生黑色素，但是产量仍需进一步优化提升。
培养基与黑色素的
“生长之路”
谈及创新联合体的目标规划，陈明海表示，今年底将努力实现5克/升的黑色素产量，并完成代谢通路改造，实现初步生产，并进行大肠杆菌胞外合成的研究，为后续工业化连续生产提供高效菌种和生产模式。明年将黑色素产量提升至10克/升。长期来看，希望最终能够使用1000升以上的大型发酵罐，全程自动化控制，每天可处理数吨培养基，并采用连续层析柱、膜分离设备等工业化装置，提升黑色素纯度。
陈明海表示，黑色素一旦实现规模化生产，将展现出可观经济价值和多元化应用潜力，覆盖医药健康、美妆个护、食品工业等多个领域。比如，纳米级黑色素具备紫外线吸收能力，可作为天然防晒剂添加至防晒产品中，相比化学防晒剂更加温和。黑色素的多孔结构还可包裹抗癌药物，通过靶向递送释放，例如用黑色素包裹阿霉素，在肿瘤部位因酸性环境释放药物，减少全身毒性。
事实上，作为深圳市“20+8”产业集群未来产业首位，合成生物产业发展前景巨大，正成为推动下一代生物制造和生物经济的强大引擎。据《中国合成生物产业白皮书2024》显示，预计到2028年，该市场规模将达到近500亿美元。
从首创“楼上创新、楼下创业”模式，到合成生物研究重大科技基础设施、定量合成生物学全国重点实验室、国家生物制造产业创新中心等多个平台落地，再到打造一流产业生态，集聚全球顶尖人才，深圳先进院创新性打破“从0到1再到10”的产业孵化时间壁垒，建立“科研-转化-产业”全链条企业培育模式，为基础研究及产业合作提供强大保障支撑。
未来，深圳先进院将持续整合产学研政投创新资源，促进实现从源头创新到技术转化再到产业应用多个层面的协同融合，持续擦亮科技创新与产业创新深度融合的“深圳底色”。
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