藻类生产凭借助力“碳中和”和“可持续发展”的标签，成为资本竞投的热门。如今，不仅有蛋白质和油脂两大代言产品傍身，能够生产更多细分领域的高附加值产品，更是让它的商业影响力飙升。与合成生物学的强强联手，则进一步放大了藻类生产的优势。
实现藻类工业化生产，“超高密度培养”和“工程化的生物制造系统”都是必要条件。本次，生辉SynBio请到了德默特生物科技（珠海）有限公司创始人、中国科学院水生生物研究所研究员韩丹翔博士与我们分享她在藻类方面的研究。
早在求学阶段，韩丹翔就认识到藻类未来会有非常大的市场应用空间。~年，她在中科院水生生物研究所攻读博士学位，毕业后前往美国亚利桑那州立大学开始了八年的异国学习和工作，前四年从事博士后研究工作，后四年同样是在亚利桑那州立大学，作为研究助理教授工作了四年。
图丨韩丹翔（来源：受访人提供）
“这八年的学习和工作经历，极大程度上拓宽了我的视野，也让我认识到，藻类不仅生物活性物质含量高，它还是直接将二氧化碳转化为油脂和蛋白质的‘细胞工厂’，能够作为生物能源、食品和饲料的原料进行开发和利用。”韩丹翔告诉生辉SynBio。
年底，她通过科学院的百人计划引进回国，回到中科院水生生物研究所担任研究员。彼时，藻类生物技术和生物能源中心同步成立。多年不断的学习和积累，为她在藻类生物技术领域的研究打下了非常坚实的基础。作为中心主任，韩丹翔一直带领整个团队朝着产业化的方向努力。
去年年底，韩丹翔从水生所离岗创业，成立了德默特生物科技（珠海）有限公司，担任公司的创始人和CEO。
实现小球藻超高密度培养，提升至原来研究的~4倍藻类生物技术和生物能源中心围绕着藻类产业化的目标，以产业化过程中涉及到的基础理论和技术开发进行学科布局。从藻种到之后的培养再到下游藻类产品的提取和加工，全产业链条的每个环节都有相应的研究人员进行研究。
小球藻是韩丹翔团队的重点研究对象之一。小球藻是一种非常重要的经济微藻，具有丰富的营养成分和生物活性物质，能够积累的蛋白质含量高达细胞生物质的60%，蛋白质浓度比牛肉高三倍，是很好的替代蛋白的原料，用于开发食品和饲料。
小球藻既可以像植物一样通过光合作用，利用二氧化碳进行光合自养，也可以像大肠杆菌、酵母一样，利用糖进行黑暗的异养生长，即发酵。
自养最大的问题在于光，准确来说是光的穿透力。在细胞培养中，光的穿透力非常有限，随着细胞密度增高，光强度会迅速衰减，也就是说，一般光合自养，能够达到的细胞密度是有限的，通常干重水平不超过10克/升。
所以想要实现超高密度，首先是要采取异养培养的技术路线，即在发酵罐中培养。关于小球藻的异养培养，已经有很多相关研究，所达到的小球藻细胞干重水平基本维持在60~80克/升，这也意味着生产成本仍然非常高，约为6~8万元/吨。
韩丹翔想要通过进一步提高小球藻培养的细胞密度，从而降低生产成本。
年7月15日，韩丹翔作为通讯作者在生物工程领域国际经典学术期刊BiotechnologyBioengineering上发表了文章“Ultrahigh-cell-densityheterotrophiccultivationoftheunicellulargreenalgaChlorellasorokinianaforbiomassproduction”。该研究通过实施一系列的发酵优化和有效的过程控制，使得小球藻细胞干重最高达到克/升，为目前报道的最高小球藻生物量浓度，相当于提升至原来研究的~4倍。
根据韩丹翔的介绍，在该项目中，团队首先做的就是筛选出在异养发酵条件下，生长速度快，且蛋白质或者油脂含量高的小球藻种类。
小球藻是一类藻的统称，涵盖种类广泛，不同种之间差别很大，团队利用水生所丰富的藻类资源，最终筛选得到几株能够利用葡萄糖快速生长的小球藻。
第二步，团队改进了培养中常用的碳源补充策略。
在小球藻发酵培养的过程中，需要持续补充碳源，过去的碳源供应策略非常粗放，仅仅是设定两个浓度阈值，以此判断是否进行补料或者停止补料。
实际上，在这种补料策略下，葡萄糖的浓度范围从零克到几十克，波动非常大，使得细胞始终处于碳源充足或者碳源不足，甚至碳源胁迫的状态。这样的条件不利于小球藻生长。
韩丹翔团队采取了全新的碳源供应方式，通过实时在线监测，精准控制葡萄糖在最佳浓度范围内，波动非常小。通过这一改进，整个系统的效率得到显著提升，使得异养培养小球藻的干重水平提升至克/升以上。
“我们的研究足以证明，碳源的供应方式和浓度控制对于发酵效率有非常大的影响。这更多的是认知上面的进步。这种方式对于其他藻类的培养也同样适用。”
目前，一般的工业微生物，如大肠杆菌、酵母等，培养获得的干重水平仅能达到每升多克，也就是说，小球藻的培养密度达到了工业微生物的一倍以上。小球藻作为生物质原料进行生产，突破了成本的瓶颈，在技术上面具有可行性。
“现在我们在做的工作，就是把发酵工艺的优化和现在的大数据，也就是机器学习等一些学科结合起来。用我们在发酵过程中积累的大量数据，通过机器学习包括像人工神经网络这样的系统，挖掘算法，反过来指导我们进一步优化培养工艺，实现更精准的条件和过程的控制。”韩丹翔说道。
合成生物学助力藻种创制，在藻类生产中应用仍需改进在美国做博士后期间，韩丹翔所在的亚利桑那藻类创新技术中心是美国最大的专门进行藻类生物技术研究的团队。团队承担美国国家能源部、农业部等的项目，主要是藻类作为生物能源的开发。
当时合成生物学的概念还未普及，而实际上韩丹翔所做的藻种创制，就是合成生物学中细胞工厂的设计和构建。例如，团队对藻类中生产油脂的关键基因和通路进行基因操作，让油脂合成的竞争途径的基因突变，使藻类油脂的含量提高了十倍。
韩丹翔率先从藻种改良过程中涉及到的高通量表型分析着手。具体来说，在获得很多突变体库之后，如何表征它在油脂性状上的改变。传统的油脂分析方法，费时费力，而且无法提供分子水平上关于结构和含量的精确信息。在美国时，她很大一部分精力用在脂质组分析平台的开发上，这也是属于合成生物学在高通量的表型分析上面的一个很重要的分支。
现在她也一直在做，针对一系列的经济微藻，包括一些模式微藻，建立了非常全面的、系统的脂质组学的分析平台。这样一来，获得的任何一个突变株，或者说是工程藻株，都可以在脂质组的水平上面表征出来，将一些基因操作带来的改变反馈在性状水平上面，反过来再进一步指导藻种的设计和改造。这也是合成生物学测试环节非常重要的一个方法学。
“未来在藻种创制方向，我们希望通过合成生物学的方式，对一些关键基因和代谢通路进行调控，在快速生长的同时，实现目标产物的含量更高。”
目前合成生物学在藻类生产中的应用，仍有需要改进之处，就是如何让工程化的生物制造系统更好地与细胞工厂进行匹配。
具体来说，通过合成生物学创制的藻种，其经济性状得到提升，但不可避免地，改造后的细胞在其他方面会有不足，这也是之后需要通过一些方法进行弥补的，能够让细胞工厂的效率在生物制造系统里得到充分的体现和发挥。
目前需要解决的问题还包括，怎样让生物制造系统的光能转化效率更高，整个生产过程的能耗更低，整个系统能够更可持续地进行周年全天候生产等等。
利用藻类生产重要的高附加值产品，优势独特目前藻类蛋白还未能应用于植物肉方向，原因有二，一是可加工性，二是风味，而两者都能够通过合成生物学的方式解决。
可加工性涉及到蛋白质的溶解性、延伸性等一系列的性质，是由氨基酸序列和蛋白质的结构等等来决定的，在这方面，合成生物学可以发挥很大的作用。
在风味方面，美国的ImpossibleFoods等公司，利用酵母来生产血红素，再加到大豆蛋白里面，是合成生物学比较成功的一个应用案例。
在血红素合成上，藻类有天然的优势。血红素合成前体叫做原卟啉环，利用酵母和大肠杆菌生产血红素时，需要把血红素合成步骤中涉及到的酶和基因全部转到细胞内进行表达，然后再提取出来。而藻类天然的就可以一直合成到原卟啉环这一步，只是在原卟啉环之后，它产生了两个分支路径，一个是生产血红素，另一个是生产叶绿素。理论上，只需要把它从原卟啉环到叶绿素的分支路径阻断，就能让它朝着血红素进行生物合成。
这样一来，藻类既是蛋白源同时又能合成血红素，能够作为替代动物蛋白的原料使用，味道和营养上也更接近动物肉类。
除此之外，藻类的腥味和异味也是阻止它作为食品开发的一个瓶颈，但可以通过基因编辑的方式解决这一问题。
利用藻类生产长链多不饱和脂肪酸，如EPA和DHA，属于油脂中的一类。目前，DHA已经成功实现了商业化，EPA还没有一个成熟的技术路线。通过合成生物学的手段，能够将藻类细胞内EPA的含量由%~4%提高到10%，甚至更高，或能够替代鱼油。
除了蛋白质和油脂外，在生产一些细分领域的高附加值产品方面，藻类也非常有优势，例如天然类胡萝卜素，包括虾青素、叶黄素、玉米黄素、岩藻黄素等。
类胡萝卜素的主要功能是清除氧自由基，对于衰老、一些慢性疾病以及肿瘤的发生，都有很好的干预和治疗效果。天然的类胡萝卜素结构非常复杂，一些通过化学合成的类胡萝卜素，里面会有很多副产物和中间体，用在食品里面对人体有害，通过藻类的生物转化过程进行生产，能够替代石油化工的生产方式，天然且环保，是韩丹翔团队目前非常重要的一个研究方向。
藻类还可以用于生产各种活性多糖，比如β-1，-葡聚糖。它的主要功能是提高免疫力，促进组织的再生和修复。过去，β-1，-葡聚糖主要通过酵母进行生产，含量非常低，因为它主要存在形式是细胞壁上的一种结构性的多糖，提取过程中要用到很多的酸、碱、有机试剂，带来了环保上的问题，成本也非常高。
“我们找到了一些很好的藻种，在高密度培养的条件下能够积累β-1，-葡聚糖，最高可达到有效干重的50%，这也是我们目前的研究方向之一。”韩丹翔说道。
另外，藻类具备其他的工业微生物没有的优势，能够对蛋白质进行一些特殊的修饰，比如糖基化的修饰。所以用藻类生产药用蛋白是一个很重要的研究方向。
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