环境和健康是全人类面临的两大问题。“合成生物学将为这两大问题提供解决方案。”方诩说道。
自1995年起，方诩专注于酶工程、微生物制造、合成生物学领域的研究。1999 年他赴日本留学，在“诺奖获得者辈出”的京都大学获得硕士、博士学位；2006 年进入日本最大的国立研究所-日本产业技术综合研究所从事科研工作；2009 年，方诩作为归国华侨，在山东大学微生物技术国家重点实验室、国家糖工程技术研究中心任教授兼博士生导师，研究方向为酶工程改造和天然产物及其衍生物的生物合成，以及木质纤维素生物降解等。
方诩先后出版了 70 余篇合成生物领域的学术论文，编写了英文学术专著，将科研成果转化为生产力，尤其采用自主研发的酶法工艺合成并量产HMOs（人乳寡糖），解决了我国该领域卡脖子的技术问题，荣获国家和省部级多项科技奖项。
“留学期间，京都大学导师松野隆一教授（瑞宝重光章获得者）‘生物技术的最终目的是做出好的产品’这一理念对我启发很大。”方诩表示。在二十余年的研究和探索中，他始终致力于通过生物合成技术和绿色工艺创新，突破合成生物学从研发到应用的两个关键节点—“选品”和“量产”。
方诩指出，“选品”就是从多如恒河沙一般的实验室成果中，筛选且集成出有价值的技术和产品，以合成生物学在成本、工艺、环保等方面超越传统提取法和化学法，合成高附加值的新产品；“量产”则是把实验室的成果经过二次研发以及技术迭代，完成中试放大，走向工业化……这不仅仅需要付出上亿乃至几十亿的研发费用，更需要一支专业化的产业转化团队。只有正确“选品”和落地“量产”，合成生物学才能替代天然提取、化学合成等工艺，为解决环境和健康两大问题找到新路径、新方法。
近日，生辉 SynBio 邀请方诩教授与我们分享他的研究成果及进展。
早在 19 世纪 80 年代，人们就发现，使用母乳喂养婴儿能够有效提升婴幼儿的抵抗力。但直到 20 世纪 50 年代，科学家才证明人类乳汁中存在一些能促进乳酸菌和双歧杆菌生长的寡糖，由于仅存在于人类的母乳中，所以将其称为 HMOs（人乳寡糖）。
作为母乳中独有的营养成分，也是母乳中第三大营养成分，HMOs 具有较为丰富的功能，如改善人体的肠道菌群、提高认知、改善 IBS（肠易激综合征）症状和用于开发新的益生元、益生菌等。
“HMOs 的功能性和生产技术的研究始于 2005 年，市场应用则始于 2016年，它的价值高，需求量大，且市场尚处于导入期。”因此，在研究方向和研发选品上，方诩经过了多番考量。“HMOs 有三十多种糖的结构已经明确，它很像维生素，也是一个大的族群，每个成员都有各自不同的功能，如 LNTⅡ（HMOs 族群的一种，又称乳糖-N-三糖）被证实可以促进 NK 细胞活性。”
据了解，目前合成 HMOs 的方法主要有化学法和生物法，其中，生物法又分为酶法和发酵法。化学合成法反应条件严苛、成本昂贵，必须用重金属作为催化剂，存在食品安全的隐患，难以产业化。与之相比，生物法高效且安全。
“日本科学家早在 2005 年就成功地实现了公斤级的酶法合成 HMOs，开创了生物法合成 HMOs 的时代，但是生产工艺长达600小时以上，过长的工时限制了技术的推广。”
针对目前国外采用的生产工艺，方诩表示，随着近几年恶唑啉等供体在实验室的广泛应用，已经实现了高效酶法合成 HMOs，但尚未见到工业化的报道；欧洲科学家利用大肠杆菌工程菌合成 HMOs 已经产业化，以配方奶粉等多种食品形式进入欧美市场，但是在申请中国的营养强化剂审批的过程中，多次被延期。
自2009年回国，在十多年的时间里，方诩坚持生物酶法合成 HMOs 的创新研发，他汲取了日本科学家酶法工艺的经验和教训，创新了一条完全不同于现有技术路线的工艺，通过自主设计研发的酶联合成新途径，成功合成四种HMOs，并全球首次实现 LNTⅡ 的量产。该工艺无须转基因大肠杆菌作为宿主，无须特殊供体，也没有工业上噬菌体感染的操作隐患，且合成途径步骤更少，更加简洁、高效，产品品质一举超过日本和欧美企业。
“LNTⅡ 是 LNT（乳糖-N-四糖）和 LNnT（乳糖-N-新四糖）的前体，也是 HMOs 中 LNT 系列糖合成的前体，对其研发和实现量产具有战略性意义。”方诩介绍，HMOs 不仅限于婴配奶粉的食品添加剂，更可以作为新食品原料、新化妆品原料、新医药原料，添加在功能性食品和饮料、营养补充剂，以及特医食品之中，未来将拥有广阔的应用领域。
为贯彻“以市场需求为核心进行‘选品’，以合成生物技术革新实现规模化‘量产’”的理念，方诩于 2018 年发起成立了山东恒鲁生物科技有限公司，从酶制剂合成到全细胞合成，把人工智能 AI、高通量筛选和表达有机结合，搭建了一个“生物智造”的合成生物学研发平台，称之为“Biosmart”。
借助“Biosmart”平台，恒鲁生物将新⼀代发酵工程技术与⽣命科学、信息与人工智能等学科交叉融合，凭借现代工程技术更好的促进了功能性活性物质的工业化生产，快速完成了四条产品线的布局，特别是 HMOs的研发与量产，更是驶入了快车道。
在HMOs领域，恒鲁生物完成了两个重大突破：全世界首次实现了生物合成 LNTⅡ 的年产吨级放大，以及全世界首次获得了 HMOs 的晶体。“我们在国内外第一个发明了人乳寡糖的结晶工业化工艺，在国际上首次获得了人乳寡糖的结晶，纯度高达 99.9%，纯化技术的革命使得我们的产品品质超过了国内外同行。”
方诩认为，做企业和在高校做科研有很大差异，在合成 HMOs 的技术路线上，首先要考虑合规性，例如，恒鲁生物无论是酶制剂，还是细胞工厂，它们的底盘细胞必须是世界公认安全的芽孢杆菌和酵母，食品安全是首要的，其次是考虑技术壁垒的建立以及不和其他企业发生专利纠纷。
“从菌株研究到发酵生产，这条路走得非常艰难。”方诩感慨道，我们需要重新在自然界中挖掘和改造菌株，每一步所需的酶都要自己摸索。HMOs 的合成只是第一步，从合成到量产，还有十倍的工作量。仅仅HMOs 的纯化分离工作，我们耗时三年，投入上千万元。
目前，方诩率领的恒鲁生物研发团队围绕着 HMOs 的技术迭代，同时开展酶法和酵母的细胞发酵法两条工艺路线。方诩表示，这两种方法各有优势，且相辅相成。
“酶法生产出来的物质杂质极少，且能清晰地得出底物和产物，因此在后期纯化过程中较为简单，而基于酵母的细胞发酵法生产上相对简单，但副产物很多，因此分离纯化较难，且整个发酵过程的调控也需要掌握一定的技巧。”方诩坦言，酶法和基于酵母的细胞发酵法哪个更安全、成本更低和更有利于工业化，我们也在不断地探索研究。
目前，恒鲁生物已经形成了两条完整的工艺产业链条，成为具备双重绿色安全生产工艺开展 HMOs 产品研发和量产的领军企业，被业界誉为“一家做食品科技生物芯片”的高新技术企业。
针对国外同类企业在 HMOs 的生产上布局的多项专利，恒鲁生物已申请了晶型的专利保护，逐步建立起国内 HMOs 产品研发、量产的技术矩阵，凭借在 HMOs 领域的创新和发明专利布局，恒鲁生物突破了 HMOs国际竞争的技术壁垒，彰显了科研创新的“硬实力”。预计 2023 年，恒鲁生物将有更多的 HMOs 实现量产。
在谈及接下来的规划，方诩表示，恒鲁生物二期工程已经准备入驻，在满足产能规模放大的同时，打造研发生产、科普研学、教学实训一体化的合成生物学科普基地，承载在建的山东省新型研发机构和威海市合成生物学重点实验室。
除了 HMOs，恒鲁生物也在红景天苷等小分子化学物产品线进行了长远的布局。
红景天被藏医称为“神药—苏罗玛葆”，最早作为药用被记载于公元 120 年的《四部医典》中，红景天苷是红景天中的最重要的有效成分，在中成药中，往往以红景天苷作为药效的标准。而红景天是国家二级的保护植物，野生在 2500 米海拔之上，而且 5-7 年长成后取根部药用，大量在化妆品和中药中的使用导致资源日益枯竭。
方诩团队以葡萄糖和酵母为原料，实现了红景天苷的高效合成，并且完成了产业化转化，纯度高达 99% 以上。更具创新的是，恒鲁生物和日本科学家合作，成功研制出了比红景天苷药效更好的新物质-红景天苷II。恒鲁生物不仅用合成生物学解决了珍稀中药原料的瓶颈问题，更为中医药现代化做出了贡献。
“从小试到量产，恒鲁生物仅仅只用了两年，和 HMOs 的第一个糖相比，研发时间大大缩短，这得益于我们成功搭建的人工智能 AI、高通量筛选和表达有机结合的合成生物学研发平台-‘Biosmart’，从研发、生产到质检，乃至知识产权保护，每个环节都有 20 年以上行业经验的专业人士，构成了恒鲁生物的核心团队。”
方诩团队经过十几年的努力，完成了 HMOs 从实验室到量产的工作，但他表示，“我们的工作刚刚开始，HMOs 还有二十多种糖要合成，像红景天苷那样的高价值活性物质都等着我们去产业化。”
合成生物学被称为“第三次生物技术革命”，恒鲁生物在方诩教授的带领下，不仅仅在大健康领域做源头创新，而且也在为“碳中和”而积极努力。“人类的健康要建立在良好的环境基础上，恒鲁生物早在几年前就在塑料的生物降解技术开展了深入的研究。”方诩如是说。
