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植物合成生物学？重新定义原料科技领域的战略利器！

发布时间：

2026-02-03

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全文字数：6019字

阅读时长：10-12分钟

1.我国消费者对植物、中药成分有天然的信赖。植物成分的获取方式层出不穷。

2.解密植物合成生物学，探索“植物工程师”对植物的改造和优化。

3.天工开物，植物合成生物学优势明显：具有良好的护肤品原料端应用潜能。

4.植物合成生物学突破植物含量壁垒。以青蒿素为例，通过植物合成生物学提升了青蒿素含量，且青蒿素具有良好的护肤功效，在多种护肤、发用和口腔产品中均有使用。

5.基于植物，但不囿于植物。植物合成生物学未来之路机会和挑战并存。

中国作为中草药的发源地，古人很早就意识到中草药的神奇力量。张籍在诗中写道“开州午日车前子，作药人皆道有神”，开州午月产的车前子，人们都说是最道地的药材，用它做药治疗眼病有神效，可见对古人中草药的治疗效果深有研究。在护肤品中，中草药、植物成分也占据主要地位。

在今年3月的PCHi展会中，植物性原料可谓占据展会的半壁江山，植物提取物、植物发酵产物、植物原生细胞培养物等各种活性成分分庭抗礼，各有优势。

中国的部分化妆品企业，相较玻色因、依克多因或麦角硫因等成分，更倾向于选择具有中国特色的草本植物作为核心成分，这可能是因为在消费者心中草本原料更安全、更适合中国人的体质，且出于对其药用价值的认可，对草本原料有天然的认可，某些草本原料还可以助农扶贫帮助地方经济，一举多得。

随着消费者对化妆品天然、安全和高效的需求增长，以及环保、再生等社会责任的提高。传统的醇提、水提等技术获得的植物提取物，因原料植物获取难、活性成分含量低、加工过程易引入其他杂质、对环境具有潜在的威胁，原料行业也在千方百计地优化获取技术。

近几年来，植物与微生物发酵类的原料一定程度解决了上述问题，但发酵后获得的发酵产物滤液、融胞产物等成分复杂，有些产品仍无法明确地分析出核心功效物质为何物。

而植物合成生物学是人类对自然深层力量探索的延续和发展，它像是一把钥匙，打开了一个全新的世界——一个通过改造植物基因，创造出能够解决现代社会需求植物产物的世界，在化妆品领域的应用潜力巨大，或成为原料内卷的新战场。

植物工程师

植物合成生物学揭秘

1.探索合成生物学定义与原理

合成生物学（Synthetic Biology）是一门“汇聚”型新兴学科，它在系统生物学基础上，融汇工程科学原理，采用自下而上的策略，重编改造天然的或设计合成新的生物体系，以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系，被喻为认识生命的钥匙、改变未来的颠覆性技术，被国内科学家概括为“建物致知，建物致用”[1]。

合成生物学是涵盖生物学、工程学和计算科学等多学科领域的现代科学分支。在过去十多年的发展中，从设计生物装置、建立代谢通路到合成基因组，大多是在微生物中进行的。

化妆品原料中，合成生物学虽然是一门新兴学科，但在这个追求美丽、效率和科技的行业，已经有不少公司通过合成生物学技术制备功效原料，并投入大生产。比如部分具有抗衰功效的小分子肽和部分功效型蛋白，可以通过合成生物学在微生物中表达和生产。这种方式比传统化学合成更加精确、高效，并且更加环保。

2.植物合成生物学的奥秘

植物合成生物学作为合成生物学的分支，合成生物学的研究对象正逐步过渡到更加复杂的多细胞体系，Schwille[2]详细定义了植物合成生物学的基本概念：将工程原理应用于植物系统的设计和改变，以及从头构建人工生物途径，这些途径在植物中的行为可以被预测、调控并最终被编程。

传统的生物技术主要依靠重组DNA技术，着重于现有异源基因和启动子的重组，而植物合成生物学是以新的方式，构建具有新功能的模块。植物合成生物学通常基于“设计Design-构建Build-测试Test-学习Learn”的研究策略，打破“自然”与“非自然”的疆界。

选取合适的宿主生物植物（即底盘植物），利用标准化的生物原件等从头设计具有全新特征的人工生命体系；再针对目标基因通过基因和（或）基因合成等技术，构建生物系统并转入底盘植物中进行测试，对结果进行详细分析优化设计，反复循环优化形成科学闭环，以求最终形成稳定遗传、品质更高的植物。

植物合成生物学在农业和天然产物中应用十分广泛。比如通过提高光合作用羧化效率、提高水分利用效率等改善植物的生长和农业产量；研究植物氮磷吸收机制，提升养分利用率、降低化肥使用；利用植物具有复杂的空间特性，提高天然产物中已知活性成分的含量等[3]。

天工开物

植物合成生物学优势明显

1.产物更多样是其主要优势

随着研究的深入，植物因其具有非常丰富的内膜系统和细胞器等，为开展相关研究提供了较为理想的模式体系，所以有些报道称其为合成生物学的“下一篇章”[3]。以植物为底盘的合成生物学，通过自下而上方法，将生命系统划分为不同的功能模块，再将其组合成新型系统，帮助人类更好理解复杂的生物学过程。

植物合成学相较于传统的微生物合成生物学的优势也非常明显。首先相较于大多数是低等单细胞生物的微生物，植物是多细胞真核体系，有复杂的形态和生理分化、细胞有分区结构，具有良好的研究基础。

其次因为微生物缺乏部分核糖体，无法合成部分具有特殊三维结构的蛋白质，但是在植物内部却可以合成，即植物合成生物学在某些维度具有合成更多种类物质的能力，可以用来合成某些微生物无法获得的活性蛋白，也可以生产各种活性代谢物。

另外，因为微生物中合成天然成分需知晓该成分所有可能涉及的相关合成途径、相关的调控基因及蛋白，需要有大量的前期研究积累，时间和研究成本高。而植物体中，某种有效成分的部分合成途径可能共用，即使对植物体中巨量的代谢合成途径不清楚，只要了解共同前体，就可进行后续改造来生产。换而言之，植物合成生物学对天然产物的理解和应用更为快速和简洁。

最后，因为前期通过科学改造获得稳定的植株，只需要简单地种植就可以获得大量的产物，对生产人员培训门槛低。微生物的培养与产物的制作对生产环境的要求更高，需要专业的操作人员和设施齐全的生产工厂，投入成本较高。

植物合成生物学在实现可控的改造定制方面存在一定的难度和成本。由于植物体中存在微妙的代谢活动平衡，某些基因的变化可能会导致植株异常死亡，因此这需要较长培育周期和大量实验成本，技术门槛高。这就需要专业的技术人员和行业优秀团队进行前期探索，才能为后续高功效的原料助力赋能。

2.植物合成生物学给原料界注入新活力

用户说发现，近年来资本对合成生物赛道的关注度和参与度大幅提升，已有多家上市公司宣布布局合成生物相关领域（如华熙生物、安琪酵母等），结合上文分析，由此可见合成生物大赛道的前景可观，植物合成生物学发力空间大。

值得一提的是，上海交通大学长江学者特聘教授唐克轩博士领衔的上海交通大学植物生物技术研究中心（以下简称“中心”），是国内植物合成生物领域的领先研究机构，深耕22载。

其在探索药食同源植物方面积累了丰富的科学成就，已成为上海交通大学植物生物技术国际交流的重要窗口和平台，专注于国家战略性前沿技术——合成生物学和基因。

中心团队力量强大，目前拥有包括教授、副教授和研究生等近40人组成的知识结构合理和人才稳定的高科技创新研究团队，承担了包括国家高技术研究“863”项目、“973”项目和上海市重大项目等项目数十项。

得益于中心的强大研发平台和专业团队，中心在青蒿、水飞蓟、丹参、石斛兰和积雪草等珍稀药用植物的合成生物学研究上取得了突破性进展。这些成就不仅引起了美容护肤和大健康行业的广泛关注，而且开启了这些珍贵植物在未来应用上的无限可能性。

植物合成生物学

突破植物含量壁垒

植物合成生物技术通过对植物基因模块的精心组装，成功提高了植物中有效成分的含量，打破了原本10公斤原料仅可获取几克核心活性成分的僵局，显著降低了原料的成本。因此消费者能够买到价格更低、活性原料添加更高的护肤品和化妆品中，更具性价比得变美。

1.青蒿素具备重要的研究价值

青蒿素是一种从青蒿植物（学名：Artemisia annua）中提取的天然化合物，具有强大的抗疟疾活性，青蒿素的发现是“传统中医献给世界的礼物”[4]。

这种化合物是由中国科学家屠呦呦及其团队在1970年代从青蒿植物中发现的，屠呦呦因此在2015年获得了诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素除了在治疗疟疾方面有优秀贡献，同时具有多种生物功能，包括某些癌症和病毒感染。青蒿素的研究和应用展示了自然界植物资源巨大价值，中心也对青蒿素进行了植物合成生物学的研究和探索。

2.珍贵的青蒿素在自然界中非常稀缺

青蒿素是从青蒿植物中提取的，又称黄花蒿素。但其在植物中的自然含量非常低。通常情况下，青蒿植物中青蒿素的含量仅为其叶片干重的0.1%-1.0%之间[5]。这意味着需要大量的青蒿植物才能提取出少量的青蒿素。

另外青蒿植物是一种对环境条件有特定要求的植物，青蒿生于低海拔、湿润的河岸边砂地、山谷、林缘、路旁等，喜温暖湿润气候，要求阳光充足，不耐荫蔽，忌积水。这限制了种植的地理范围。此外，青蒿的种植和收获过程劳动密集，需要安排人工，这进一步限制了其大规模生产的可行性。

3.青蒿素的神奇护肤功效

青蒿素虽然稀缺，但欧洲很早就开始使用青蒿提取物作为化妆品原料，比如青蒿的茎叶、愈伤组织等。因其具有抑菌、抗氧化、去屑、修护等功效，所以可以用在多种剂型的产品中发挥功效。

在我国2021版《已使用化妆品原料目录》中，蒿类的成分包含23种，其中黄花蒿提取物有2种，分别为黄花蒿（ARTEMISIA ANNUA）提取物和黄花蒿（ARTEMISIA ANNUA）叶提取物。

利用植物合成生物学技术，中心对青蒿植物的育种阶段就通过转录因子、腺毛发育、转运子、信号调控，完成青蒿素的基因培育，以提升其体内青蒿素的生产效率，从而培育出“高产”的青蒿植株。这些植株被用来大量生产高纯度的青蒿素，这种珍贵的化合物被添加进日常护肤品中。

这种添加了优质青蒿素的化妆品能够有效抑制皮肤炎症，减少炎症因子的活动和炎症细胞的聚集，同时展现出卓越的抗氧化性能。此外，青蒿素还因其能强化皮肤屏障、深层滋养、舒缓不适、止痒以及改善脱皮现象，使其成为制作抗痘、修复及舒缓护肤产品的理想成分。

4.了不起的中药青蒿已出现在部分产品

定位皮肤问题护理专家的品牌TG，其明星产品TG皮肤抑菌液的核心成分就是青蒿提取物。因为青蒿提取物中的青蒿素具有良好的广谱抑菌性，对多种革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和痤疮杆菌都有一定程度的抑制作用，所以特别适合面部有痘、有感染的肌肤，同时提供一定舒缓、镇静的功效。点涂在不适部位，可快速见效，舒缓肌肤痛痒，减少痘痘反复，淡化痘印。

安敏优，一个专注于研究敏感肌肤微生态的护肤品牌，创新性地推出了以青蒿为核心的“青蒿产品系列”，其中包括洁肤乳、独立包装的修护及维稳精华、维稳水乳套装，以及全面的维稳组合次抛装。

这一系列特别强调利用青蒿提取物的出色抗炎、舒缓肌肤及强化屏障的特性。更值得一提的是，他们在产品中融合了维生素原B5和马齿苋提取物等其他高效舒缓和修复成分，这不仅丰富了产品功效，还显著提升了消费者使用的满意度和肌肤改善效果。

青蒿提取物不仅用于面部护肤，有的研究通过网络药理学和分子对接技术探究核心靶点JUN、AKT1和IL-6等，且与青蒿活性成分有较好的结合活性，认为青蒿可能通过调控炎症反应、脂质代谢异常等途径防止头皮问题的发生发展，从而具备有效护理头皮的功效[6]。

发部产品已有较好的应用实例，例如，科丽尼品牌以其开创性的【首创头皮面膜】闻名，该产品专为修护敏感头皮而设计，能有效利用青蒿提取物抑制有害菌，调整头皮环境，从而有效解决顽固头屑问题。

此外，牙膏行业也见证了青蒿素的成功应用，两面针品牌的多款产品，如青蒿液体牙膏和青蒿植物素牙膏，均将青蒿作为核心成分。这些产品通过青蒿的清火护龈作用，维护牙周健康，为用户带来全新的“干净”口腔护理体验。

挑战与机遇

植物合成生物学的未来之路

1.发展并非一帆风顺，仍需上下求索

由于植物合成生物学涉及基因技术，因此生物安全和伦理问题始终是一个关注点。如何确保改造的植物不会对环境产生不可预见的影响，以及如何在社会接受性方面取得平衡，是植物合成生物学整个学科需要正视和解决的问题。

另外，尽管植物合成生物学具有巨大的潜力，但其前期研发周期较长、研究经费高、商业转化过程资金需求高，需要长期的研究和开发投入。获取足够的资金和维持持续的投资是开发成功合成生物学应用的一个重要因素，也是产学研转化的关键限速点。

选择正确的目标合成活性成分对于植物合成生物学的商业应用至关重要。以青蒿素为例，尽管它在国内外已广为人知并得到应用，但在消费者市场上，青蒿素的知名度和接受度还未能达到像玻尿酸、维他命C和胶原蛋白等热门成分的水平。

当前，青蒿素还处于市场教育阶段，怎样有效地增强消费者对青蒿素的认知、建立信任，并将这种信任转化为实际的市场收益，是所有相关企业需要解决的关键问题。这一挑战同样也适用于其他植物合成成分的市场推广。

2.基于植物，但不囿于植物

植物合成生物学不仅能合成植物活性成分，还开辟了制造类人蛋白和重要大分子蛋白的新途径。该技术使我们能够利用植物作为生物反应器，快速且成本效益高地生产定制化的人源化功能蛋白。

这一创新技术具备多重优势：

a. 低成本生产：通过植物的光合作用，大幅降低生产成本。

b. 快速生产周期：能够在极短时间内生产多种产品，无需长时间的细胞系筛选。

c. 无需无菌培养：省去昂贵的无菌培养过程，同时避免了动物病原体的污染风险。

d. 口服产品简化处理：利用可食用植物生产的重组蛋白，无需高度纯化即可直接用于口服，进一步节约成本。

这些特点使得基于植物的合成生物学技术不仅革新了生物制药领域，也为未来的护肤、彩妆活性成分的制备提供了新的可能性。

持续的研究和创新对于化妆品行业的发展至关重要。植物合成生物学在化妆品领域展示了显著的优势和潜力，通过工程手段优化和改造植物活性成分的生产路径，不仅可以实现高效生产天然活性成分，还具备开发新化妆品成分的潜力，提供更多的产品选择和更优的效果，例如植物合成青蒿素。

随着消费者对产品效果和安全性的要求日益增高，以及对环保和可持续生活方式的关注不断加强，植物合成生物学可通过提供更有效、更安全、更环保的生产方法，帮助企业开发出符合市场需求的个性化产品。

此外，持续的科学研究还能不断拓展新的应用领域，推动整个行业的技术进步和市场扩展。期待未来植物合成生物学在化妆品行业的应用能够带来实际的、积极的变革，促进整个行业向更加健康、环保和可持续的方向发展。

参考文献

[1]https://synbioj.cip.com.cn/CN/column/column1.shtml

[2] SCHWILLE P. Bottom-up synthetic biology:engineering in a tinkerer’sworld[J].Science,2011,333(6047):1252-1254.

[3] 邵洁,刘海利,王勇.植物合成生物学的现在与未来[J].合成生物学,2020,1(04):395-412.

[4]http://www.natcm.gov.cn/bangongshi/gongzuodongtai/2018-03-24/1606.html（源自屠呦呦演讲稿）

[5] 王路尧, 张颖, 唐克轩, 李杉, 赵静雅. 青蒿素生物合成分子调控研究进展[J]. 植物学研究, 2016, 5(3): 113-123

[6]武涛,马非凡,庄开颜,刘慧,刘菲,王学文,王兴凯,刘峰,杨素珍.青蒿在头皮护理中的功效机制研究[J].轻工科技,2023,39(06):174-177.

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