本期特邀博士｜段志廣（巨子生物首席技術(shù)官）

專家簡介

段志廣：西北大學(xué)生物醫(yī)藥研究院(化工學(xué)院)教授、碩士生導(dǎo)師陜西省無源醫(yī)療器械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、學(xué)術(shù)帶頭人，西安交通大學(xué)研究生協(xié)同培養(yǎng)授課專家，西安化工醫(yī)藥協(xié)會(huì)第三屆理事會(huì)理事，中國化工學(xué)會(huì)精細(xì)化工委員會(huì)青年學(xué)術(shù)委員，巨子生物首席技術(shù)官。

膠原蛋白與重組膠原蛋白
膠原蛋白是很多脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，在人體中廣泛分布于皮膚、黏膜、血管、骨骼等組織和器官中。膠原蛋白約占人體蛋白質(zhì)總量的30%，一個(gè)成年人體內(nèi)約有3公斤的膠原蛋白。主要功能是維持皮膚和組織器官的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是修復(fù)損傷組織的重要原料，被稱為“生命之架”“骨中之骨”“膚中之膚”。
目前已知的膠原蛋白有29種型別，根據(jù)其功能和結(jié)構(gòu)域同源性進(jìn)一步分為8個(gè)亞家族，它們都有一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)元素，即分子中至少有一個(gè)結(jié)構(gòu)域具有α鏈組成的著名的三股螺旋結(jié)構(gòu)，最終組裝成纖維，這種層次結(jié)構(gòu)是其在人體組織中發(fā)揮突出機(jī)械功能的關(guān)鍵。
不同型別的膠原蛋白在機(jī)體內(nèi)位置、含量不同，功能也不同。總體而言，膠原蛋白在人體組織中發(fā)揮著多方面至關(guān)重要的綜合作用，既為組織提供基本的結(jié)構(gòu)框架支撐，又賦予組織彈性與韌性，有效保持組織的水分，并積極參與組織的修復(fù)與再生，為組織間的連接與協(xié)同作用搭建橋梁，全方位保障人體組織器官的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與健康狀態(tài)。
重組膠原蛋白是指采用重組DNA技術(shù)，對(duì)編碼所需膠原蛋白的基因進(jìn)行遺傳操作和修飾，利用質(zhì)粒或病毒載體將目的基因?qū)脒m當(dāng)?shù)乃拗骷?xì)胞中，表達(dá)并翻譯成膠原蛋白或類似膠原蛋白的多肽，并經(jīng)過提取和純化等步驟制備而成的一類物質(zhì)。包含重組人膠原蛋白、重組人源化膠原蛋白、重組類膠原蛋白等。
相比于傳統(tǒng)方法提取的膠原蛋白，重組膠原蛋白的優(yōu)勢(shì)有水溶性好、排異反應(yīng)低、可加工性能好，并且具有組分單一、過程可控、產(chǎn)物可控等特征，產(chǎn)品品質(zhì)也更穩(wěn)定。因此能在保留天然膠原蛋白功能特性的同時(shí)，有效克服傳統(tǒng)提取方式的諸多缺陷，具體如下：

無病毒隱患。動(dòng)物源的膠原蛋白在提取過程中雖然采用了病毒滅火技術(shù)，但是有一定的病毒隱患，而重組膠原蛋白是通過微生物高密度發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)，能夠從源頭上避免病毒隱患。

較低的排異反應(yīng)。重組膠原蛋白的基因序列與人膠原蛋白基因序列一致，一般而言免疫原性更低。

良好的水溶性。單鏈重組膠原蛋白水溶性良好，具有三股螺旋結(jié)構(gòu)的膠原蛋白可以通過替換非編碼氨基酸序列中的疏水性氨基酸為親水性氨基酸，從而提高重組膠原蛋白的親水性，便于加工利用和配伍。

無細(xì)胞毒性。重組膠原蛋白因其良好的水溶性在分離過程中不需要酸堿溶劑處理，因此沒有酸堿溶劑殘留，避免對(duì)細(xì)胞代謝的影響。

良好的可加工性能。重組膠原蛋白常以單鏈形式存在，溶解時(shí)不改變分子量和基本特性，具有良好的可加工性能。

質(zhì)量可控，易于規(guī)模化生產(chǎn)。基因工程技術(shù)可表達(dá)特定分子量的膠原分子，并且發(fā)酵成本低、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高、易于大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)物的分子量均一性和質(zhì)量穩(wěn)定性更高。

巨子生物的重組膠原蛋白與人體膠原蛋白氨基酸序列100%一致，從源頭上解決了傳統(tǒng)動(dòng)物源膠原蛋白的病毒隱患、排異反應(yīng)等弊端，并且成功將國外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室只能做到1%的重組膠原蛋白表達(dá)量（表達(dá)量的高低會(huì)影響最終的生產(chǎn)效率）提升到了29.4%，在生物材料、組織工程、皮膚護(hù)理、食品和保健品等多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

重組膠原蛋白的研發(fā)創(chuàng)新與優(yōu)化
重組膠原蛋白是通過基因重組技術(shù)利用微生物細(xì)胞、植物細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞等宿主細(xì)胞的蛋白合成能力生產(chǎn)制備的一種與人天然膠原蛋白基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一致的蛋白，具有無病毒性隱患、優(yōu)異的生物學(xué)相容性和功效性、低免疫原性的特點(diǎn)，有效規(guī)避了傳統(tǒng)動(dòng)物源膠原蛋白的病毒隱患、排異反應(yīng)，并克服了傳統(tǒng)動(dòng)物膠原蛋白因動(dòng)物年齡差異、種屬差異導(dǎo)致的終端產(chǎn)品臨床療效不確切、質(zhì)量不穩(wěn)定的弊端。
基因工程技術(shù)和微生物發(fā)酵技術(shù)分別是重組膠原蛋白研究開發(fā)的兩個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)技術(shù)。
天然宿主細(xì)胞本身并不具備生產(chǎn)人膠原蛋白的能力，而基因工程技術(shù)就是該能力的賦予者。基因工程技術(shù)著眼于生產(chǎn)的源頭即工程菌的獲得階段，解決生產(chǎn)什么樣的蛋白——“圖紙”（膠原蛋白的序列設(shè)計(jì)、膠原蛋白的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）、以哪種宿主生產(chǎn)（底盤細(xì)胞的篩選）——“車間”、怎么讓底盤細(xì)胞具備高效生產(chǎn)重組膠原的能力（密碼子優(yōu)化、啟動(dòng)子優(yōu)化、信號(hào)肽優(yōu)化、基因敲除、基因強(qiáng)化等）——“機(jī)器部件”。通過基因工程技術(shù)，完成了“細(xì)胞工廠”的搭建。
在獲得“細(xì)胞工廠”后如何高效實(shí)現(xiàn)底盤細(xì)胞生產(chǎn)重組膠原蛋白的能力則需要發(fā)酵技來解決，通過優(yōu)化培養(yǎng)條件、誘導(dǎo)時(shí)機(jī)、誘導(dǎo)強(qiáng)度來開發(fā)最優(yōu)發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的最大化，然后通過逐級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，發(fā)酵技術(shù)解決的是怎么量產(chǎn)的問題，即怎么把細(xì)胞工廠做的更大，怎么讓車間的機(jī)器最高效的生產(chǎn)重組膠原蛋白。
目前的很多新興的技術(shù)都有助于重組膠原領(lǐng)域的技術(shù)提升。

1、人工智能AI技術(shù)

在序列設(shè)計(jì)及宿主適配方面，利用人工智能算法，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等，可以對(duì)大量的膠原蛋白序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，預(yù)測(cè)不同序列的膠原蛋白的結(jié)構(gòu)、功能和性能，從而輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有特定功能的重組膠原蛋白序列，提高研發(fā)效率和成功率。同時(shí)基于大模型的自學(xué)習(xí)能力的AI技術(shù)在解決序列、宿主與功效的適配也表現(xiàn)出巨大的潛力。

生產(chǎn)過程優(yōu)化方面：借助人工智能技術(shù)對(duì)微生物發(fā)酵過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，如細(xì)胞生長狀態(tài)、代謝產(chǎn)物變化、發(fā)酵環(huán)境參數(shù)等，建立預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過程的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化，提高重組膠原蛋白的產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定性。

2、合成生物學(xué)技術(shù)

合成生物學(xué)可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物元件、基因線路和代謝途徑，將其引入到微生物宿主中，實(shí)現(xiàn)對(duì)重組膠原蛋白合成的精確調(diào)控和優(yōu)化。同時(shí)合成生物學(xué)可以實(shí)現(xiàn)通過篩選重組膠原蛋白合成的所需的原件進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建，將所需的原件整合在特定的反應(yīng)體系中有序發(fā)揮作用，模擬體內(nèi)合成過程，從而實(shí)現(xiàn)無細(xì)胞生物合成。

生命科學(xué)是巨子生物一直在探索的領(lǐng)域，未來也將繼續(xù)在這一領(lǐng)域展開研究，持續(xù)探索以人的生命健康和生活質(zhì)量息息相關(guān)的命題，研發(fā)解決實(shí)際需求的創(chuàng)新型產(chǎn)品。膠原蛋白以其優(yōu)異的性能，有很多科研人員愿意去研究膠原蛋白，也希望它能夠在美妝、醫(yī)美和嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

由于受限于法律、倫理和病毒隱患等問題，利用人體組織獲取膠原蛋白是一件非常困難的事情。而動(dòng)物膠原蛋白植入體內(nèi)應(yīng)用又有免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)，所以在這種情況下，科研人員希望能夠通過用合成生物學(xué)的方案，來生產(chǎn)人的膠原蛋白。

重組膠原蛋白應(yīng)需求而生，在近些年的市場(chǎng)應(yīng)用中取得了非常多來自于業(yè)內(nèi)專家、臨床醫(yī)師以及消費(fèi)者的多方認(rèn)可。事實(shí)上，重組膠原蛋白的應(yīng)用前景遠(yuǎn)不止于當(dāng)下，巨子生物研發(fā)團(tuán)隊(duì)還在持續(xù)探索新的細(xì)分型別膠原蛋白的應(yīng)用價(jià)值，且有一系列已經(jīng)完成功效試驗(yàn)的待轉(zhuǎn)化項(xiàng)目在穩(wěn)步推進(jìn)中，未來在醫(yī)療、美容、食品領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分可觀。

重組膠原蛋白未來的優(yōu)化方向
盡管重組膠原蛋白的發(fā)展前景可謂廣闊，但目前其在應(yīng)用中還存在以下劣勢(shì)：

1、結(jié)構(gòu)的差異性

人體天然的膠原蛋白在合成前膠原后會(huì)經(jīng)過復(fù)雜的修飾如：糖基化修飾、羥基化修飾、酰胺化修飾、磷酸化修飾等，經(jīng)過修飾的前膠原會(huì)自組裝成右手三螺旋的結(jié)構(gòu)從而具有穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。目前能夠量產(chǎn)的重組膠原蛋白多采用微生物底盤細(xì)胞如：大腸桿菌、畢赤酵母等，其不具備這些復(fù)雜的修飾能力或者修飾后的種類與人體的修飾有較大的差別，這些差別讓某些重組膠原蛋白在功能上與天然膠原蛋白并不完全一致。雖然動(dòng)物細(xì)胞體系能夠很好的解決該問題，但目前產(chǎn)業(yè)化成本過高仍是限制其規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

2、穩(wěn)定性不足

重組膠原蛋白的熱穩(wěn)定性通常較差，容易降解，無法耐受高溫乳化和滅菌的溫度，這限制了其在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用，且在體內(nèi)或高溫環(huán)境條件下，穩(wěn)定性差的重組膠原蛋白更容易被降解，長效性不足。

3、效果不確定性

由于個(gè)體差異，重組膠原蛋白在不同個(gè)體中的效果可能存在差異，某些情況下可能無法達(dá)到預(yù)期的美容或治療效果

針對(duì)目前重組膠原蛋白穩(wěn)定性及活性的問題，巨子生物的研發(fā)團(tuán)隊(duì)有以下思考和舉措：

1、優(yōu)化表達(dá)體系

進(jìn)一步研究和開發(fā)更高效、更穩(wěn)定的表達(dá)體系，如對(duì)現(xiàn)有的微生物表達(dá)體系進(jìn)行改造，使其能夠更準(zhǔn)確地合成具有天然結(jié)構(gòu)和功能的重組膠原蛋白；或者探索新的表達(dá)宿主：如植物、昆蟲、枯草芽孢桿菌、谷氨酸棒桿菌等，以獲得具有不同特性的重組膠原蛋白產(chǎn)品。目前巨子已就枯草芽孢桿菌、谷氨酸棒桿菌、釀酒酵母等多種表達(dá)體系均進(jìn)行了探索，成功開發(fā)出了多個(gè)表達(dá)新型重組膠原蛋白的菌種，同時(shí)動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)體系也有了一定的突破。

2、序列設(shè)計(jì)優(yōu)化

利用人工智能算法對(duì)大量的膠原蛋白結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，預(yù)測(cè)不同序列和結(jié)構(gòu)的重組膠原蛋白的性能，輔助設(shè)計(jì)出具有更優(yōu)穩(wěn)定性和活性的重組膠原蛋白分子；通過更精準(zhǔn)的基因設(shè)計(jì)，優(yōu)化重組膠原蛋白的氨基酸序列，增強(qiáng)其內(nèi)部的氫鍵、疏水相互作用等分子間作用力，從而提高其穩(wěn)定性；同時(shí)，合理設(shè)計(jì)活性位點(diǎn)的空間構(gòu)象和暴露程度，提升其與細(xì)胞受體或其他生物分子靶標(biāo)的結(jié)合能力，以增強(qiáng)生物活性。

3、發(fā)酵工藝優(yōu)化

深入研究重組膠原蛋白發(fā)酵過程中的各種參數(shù)，如培養(yǎng)基成分、溫度、pH 值、溶氧等，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，建立精確的發(fā)酵控制模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的智能化調(diào)控，提高重組膠原蛋白的產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定性。巨子生物深耕微生物發(fā)酵調(diào)控20多年，目前已建立了一套多維度聯(lián)動(dòng)應(yīng)答發(fā)酵優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)化翻譯表達(dá)，提高發(fā)酵密度的同時(shí)降低降解效率，實(shí)現(xiàn)蛋白的高產(chǎn)及穩(wěn)定表達(dá)。

4、純化工藝改進(jìn)

開發(fā)更高效、更溫和的純化方法，減少在純化過程中對(duì)重組膠原蛋白結(jié)構(gòu)和活性的破壞，提高產(chǎn)品的純度和質(zhì)量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。