文|聚美麗 小栗子
2022年9月23日，合成生物技術碳捕捉公司LanzaTech與香精香料巨頭奇華頓（Givaudan）達成了一項合作協議：雙方將共同開發，利用合成生物技術碳捕捉，生產奇華頓產品組合中所使用的關鍵香氛成分。
近兩年，合成生物學在化妝品研發中越發熱門，有觀點認為該技術能提供“超過100%”的市場現有產品，更有人將其稱為“引起生產變革的新能源”。上述合作意味著合成生物學的這股“浪潮”也席卷到了香水香氛這一細分領域。
事實上，合成生物技術在香精香料的應用很早就引起了部分企業的關注，一些香精香料企業和生物公司也已經推出了具有香味的生物合成原料。
基因改造，以“細胞工廠”生產天然產物
LanzaTech的核心技術依托于一種名為“產乙醇梭菌”的自養微生物：該類細菌擁有最古老的碳固定代謝途徑Wood-Ljungdahl，能夠將兩個二氧化碳分子轉化成為乙酸。產乙醇梭菌，正如其名，這是一種能夠天然固碳，最終生產乙醇的細菌。
根據專利對生產2-苯乙醇的描述顯示，從Wood-Ljungdahl碳固定途徑開始，產乙醇梭菌能夠利用合成氣天然產生“苯丙酮酸鹽（Phenylpyruvate）”，以此為起始，通過設計導入異源酶基因（脫羧酶和苯乙醛還原酶），便可以實現2步反應生產得到2-苯乙醇。
研究人員還同時異源地表達了莽草酸鹽途徑的3個基因（DAHP合酶、莽草酸脫氫酶、雙官能分支酸變位酶/預苯酸脫水酶），并進行了組合測試。
最終，在產乙醇梭菌改造了5個基因和組合測試下，LanzaTech的研究人員成功實現：利用合成氣碳捕捉生產2-苯乙醇，產量為200mg/L。
文章開頭所提到的該公司與奇華頓的合作也正是基于“產乙醇梭菌”的進一步改造，以生產出所需的香精香料成分。
芬美意科學家從廣藿香植物中發現并分離出了廣藿香醇合成酶的基因，將其植入酵母中，以蔗糖為起始原料，通過酵母發酵獲得Clearwood 這款原料。
這款原料由于沒有蒸餾過程，Clearwood 中不含鐵離子，比起傳統藿香油，不會出現氧化、變色、變質的情況。
廣藿香油作為基礎的木香原料，廣泛應用于近40%的日化香精和高級香水配方中。Clearwood 可以像藿香油一樣使用或高劑量使用，用以構建一種全新的木香香韻。它雖然富含藿香醇，但不會取代天然藿香油，從色譜對比圖來看，與天然藿香油存在一定差異，可作為一種藿香香韻的補充。
但該原料的天然等級曾受到質疑，不僅是因為生產過程中出現了轉基因生物（酵母經過基因改造），還因為存在廣藿香醇乙醚，該物質未列入廣藿香精油130種已公布的成分中，之前在自然界中也未被鑒定。
檀香油是另一種重要的木本天然成分，天然檀香油的傳統提取方式是通過水蒸氣蒸餾檀香木心而獲得的。天然檀香油主要由倍半萜烯醇組成，其中(Z)-α-檀香醇和(Z)-β-檀香醇占80-90%，通常認為這些檀香醇是檀香香氣的主要貢獻物質。
生物合成研究揭示了一種常見的倍半萜合酶在檀香屬植物中的作用，它可以將金合歡基二磷酸（FPP）轉化為α-和β-檀香烯、反式β-香檸檬烯、(Z)-β-檀香烯和(Z)-β-金合歡烯。通過P450單加氧酶對α-和β-檀香烯進行化學選擇性羥基化，可形成檀香的芳香倍半萜醇。
研發企業通過在重組細胞中克隆這些基因，可以工業化實施發酵過程，生產出Dreamwood 。
奇華頓在專利申請中表示，Akigalawood 的生產利用了表達葡萄和廣藿香倍半萜合成酶的重組微生物，以FPP生產α-愈創木烯和莎草奧酮。該專利提到微生物可以在體內從糖中生產FPP，但該特定點未在專利說明中列出。之前的研究中已闡明了葡萄中α-愈創木烯的生物合成，并鑒定了相關基因。
莎草奧酮是一種有氣味的倍半萜類物質，存在于多種天然產品中，尤其是紅葡萄酒中，具有辛辣、木香的嗅覺感受。
Ambrofix 的生產采取了利用改性酵母的生物技術制造工藝。在改造的釀酒酵母中，金合歡烯合酶異源表達，FPP在該酶的催化下產生(E)-β-金合歡烯。且高濃度(E)-β-金合歡烯可被釀酒酵母所耐受，故該工藝具有較高的生產力。（100g葡萄糖可生產高達3.8 g的(E)-β-金合歡烯）
(E)-β-金合歡烯可通過兩步化學反應轉化為(E,E)-均金合歡醇，(E,E)-均金合歡醇通過角鯊烯-霍普烯環化酶（SHC）酶環化為(-)-龍涎呋喃，該酶可由微生物分離或異源表達。
龍涎香是抹香鯨（Physetter macrocephalus）的一種病理性分泌物，難以獲取，該香料又較為知名，故龍涎香相關化合物的合成一直以來受到廣泛關注。
芬美意曾推出Ambrox Super和Z11 兩項專利，均為龍涎香相關的成分（從目前透露的資料來看，似乎涉及生物技術，但與合成生物技術無關）。巴斯夫的一項專利也提到了一種均金合歡醇龍涎香烷環化酶，它可以從檸檬醛中得到(-)-降龍涎醚。
而通過發酵進行生物合成的龍涎香原料在規模上或許更具優勢。
除上述描述的這些原料外，還有不少企業也推出了生物合成原料，例如：法國香精制造商Robertet曾聯合Ginkgo Bioworks生產出具有強烈桃子氣味的 γ-癸內酯以及玫瑰精油成分；巴斯夫和生物科技公司Conagen合作生產香蘭素等等。
并且，一些相關的研究項目雖未實現產業化，但已經有了成果，合成生物學在香精香料上的研發正被持續推動著。
中科院大連化學物理研究所以酵母為細胞工廠，實現了香紫蘇醇（龍涎香前體）高效生物合成，其產量達到20g/L；且其建立的分離純化方法使得純度能夠達到99.8%。
2021年的國際基因工程機器大賽上，ELIXIO項目團隊利用合成生物學線路，使用工程化的酵母與藍藻，使其分別生產天然產物紫羅蘭酮、芳樟醇和紫羅蘭葉醛。同時，該團隊利用合成微生物組共培養優勢，循環利用二氧化碳，減少碳源的投入。
生物合成緩解香料困境——低成本、穩定、可持續
在過去，天然香精香料的來源主要是動物和植物。隨著各國與動物保護有關的禁令相繼發布，以及消費者對“零殘忍”的要求不斷提升，現在的企業盡量避免采用動物性原料。
而植物性原料受天氣、地域等影響，質量和成本并不穩定；同時部分植物原料的獲取需要時間的沉淀，其中一些植物已處于瀕危狀態等，這些都成為了制香產業亟待解決的問題。
為了應對上述問題，香精香料很早就開始探索取代天然原材料的方式，最初使用的便是化學合成方式，隨著科技的發展，才將目光投向了生物合成。
無論是化學還是生物合成，合成技術都帶來了許多好處：
1）能再現一些不易自然提取的或者瀕危動植物的成分，如降龍涎醚的化學合成受到行業內的廣泛關注；
2）能保證原材料的穩定性，合成在確定的環境和規劃的流程下進行，避免了自然界的各種不確定因素以及致敏原；
3）能夠降低生產成本。
但是，當今的消費者相比較化學合成，更崇尚“天然”，且化學合成生產中帶來的環境污染也是一大問題。
通過基因工程，利用微生物生產出香味成分的方式比起化學合成更接近“天然”，這相當于為生產搭建了“生物工廠”。
且美國和歐洲現行法規顯示，通過微生物發酵生產的生物合成產品，被認為是“天然”或基本上等同于“植物衍生產品”。相比之下，一些以石油成分為起始原料的化學合成香精香料不能貼上“天然”標簽。除此之外，生物合成的方式對于環境也更加友好。
從長期視角來看，以合成生物學進行的原料生產成本更低，產量更高，也更可持續，這也引得多個香精香料巨頭紛紛在這一技術領域布局。
注：此表根據公開信息不完全統計
并且，在香水品牌端，一些生物合成原料已經被運用到香水和個護產品中。
例如，寶格麗極低冰峰男士淡香水的配方中就添加了Clearwood 作為基調，這是一款適合一年四季的木質調香水；范思哲迪倫藍女士淡香水中也將此作為基調。
圖：左為寶格麗極低冰峰男士淡香水，右為范思哲迪倫藍女士淡香水
芬美意的另一款合成原料Dreamwood 在不少產品中有所添加，例如冰希黎的泡沫情人和午夜紫檀精粹香水，前者整體為柑橘木香調，后者的尾調中則可以感受到Dreamwood 的檀香。
圖：左為泡沫情人，右為午夜紫檀
而奇華頓的Akigalawood 似乎在香水中應用得更為廣泛，Miu Miu的兩款香水（Miu Miu Eau de Parfume和Miu Miu L'Eau Bleue）均以此作為基調；Parfums de Marly Valaya則以此作為降調，整體為花香型果味調。
圖：左為Miu Miu香水，右為Parfums de Marly Valaya
隨著合成生物學在香精香料的應用推廣，香水香氛細分領域不僅能實現天然可持續，擁有質量穩定的來源，在新香味的開發上也將擁有更多可能。合成生物技術正推動著行業不斷向前發展。
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