黄华教授，学术界与工业界的资深酶学专家，博士毕业于美国新墨西哥大学结构酶学，随后在美国伊利诺伊大学香槟分校从事酶组学及酶工程博士后研究。当前黄华教授在华南师范大学生命科学学院从事微生物酶资源的鉴定与改造，实现微生物代谢、微生物发酵以及微生物酶工业催化的理论与应用研究。黄华教授发表相关领域SCI论文12篇，现承担国家自然科学基金“酶组学”面上项目“酶组学法揭示糖酸在人体微生物中的转化网络”。同时，黄华教授也担任瑞德林生物酶学首席科学家。
近日，松禾团队邀请到学术界与工业界的资深酶学专家黄华教授，深度探讨了酶催化技术的应用、酶制剂的开发、放大难点、生物合成方式的选择、酶催化的路径筛选、平台化技术的搭建、工业化放大的know how、基因片段和底盘细胞的筛选、企业发展战略这九个方面问题，旨在为从事合成生物学领域的科学家、企业家和投资家提供行业分享与借鉴意义。张冲：酶催化应用，可分为直接以酶制剂作为产品和通过酶催化生产产品两种业务模式，这两类的主要差异以及各自主要的适用场景是什么？黄华：酶和蛋白同属一类，一般来说，蛋白不具有直接催化功能，而酶往往同时兼具结合、催化两种功能。酶催化的应用范围很广，例如食品加工、药物中间体转化、生物传感器等；这些都体现在酶的催化应用模式方块，也是我们公司做的业务之一。而蛋白本身则可以作为产品，例如医药的抗体蛋白、胶原蛋白还有索马甜蛋白等，均是蛋白作为产品直接应用。张冲：应用于工业或者食品等不同行业的酶制剂及酶催化的产品，例如食品添加酶可以使肉更嫩一些，或者洗衣粉里添加酶。这两种模式是我们直接把酶销售还是作为生产工具？黄华：以上两种模式我们既可以销售酶也可以作为生产工具。例如诺维信、溢多利等酶制剂公司可以发酵生产谷氨酰胺转氨酶(TG酶,又名Meat glue肉胶酶)然后提供给肉类加工企业使用重构碎肉结构变成高附加值的肉；当然如果需求量很大，肉类公司也可以自己开发该类酶的发酵生产工艺。我们公司现在采用的是把酶作为生产工具，自己生产的酶自己用。张冲：除了生物医药、农业和化工，在其他哪些领域里会用到酶催化技术？黄华：酶作为生物体内的催化剂，其应用场景非常广泛；一言一概之，市面上凡是涉及到生物相关应用产品与技术基本上都可以找到对应的酶技术应用。除了生物医药、农业与化工等常见的应用领域，酶还被应用于化妆品行业，如超氧歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(Catalase)现已被应用于化妆品配方中以清除自由基，来源于菠萝、木瓜的蛋白酶(Proteolytic enzymes)、组织二酰基甘油酰基转移酶(DGAT-1)可被用于使皮肤更光滑，还有一些其它酶(如Prolyl hydroxylases等)添加在化妆品中可以防止粉刺、皮肤老化、色素沉着以及清除死细胞等；酶在食品及保健品生产与加工中也具有比较宽的应用，如乳业的脱乳糖牛奶、华肽生物的功能肽食品、华熙生物玻尿酸聚合度的酶定点切割等；酶也被应用于生物传感器：例如辣根过氧化物酶(HRP)生物传感器以检测食品、环境、医药中的过氧化氢(H2O2)，葡萄糖氧化酶(GOx)传感器监测血糖浓度，漆酶生物传感器检测多巴胺等等；酶在家畜饲养行业中的应用也具有悠久的历史，尤其是木聚糖酶与β-葡聚糖酶，通过在动物饲料里添加该类酶可以有效提高家畜对饲料的利用率；与此同时，生物酶也是环境治理与修复的一个重要构成部分，譬如脱卤酶(Dehalogenase)对含卤有机废物的降解处理以及最近报道比较火热的PET 解聚酶降解自然环境中的塑料废弃物等等。
固定化酶(Immobilized Enzyme)的连续流催化(Continuous Flow)应用黄华：总体来说，酶制剂生产具有门槛相对较低但做大、做好很难的特点。现阶段，酶的实验室小量发酵生产、活性表征已成为生命科学研究的一个基本配置，但是在发酵酶种类、酶来源以及发酵规模化方面仍然很有限；这主要体现以下两个方面，一是迄今为止，自然界中很多大量具有巨大应用潜力的金属酶(Metalloenzyme)以及大量来自植物、昆虫或动物的酶/蛋白仍无法有效的发酵生产，二是在酶的规模化生产过程中，酶的高活力以及酶活力稳定性表达方面生产经验与科学知识都很欠缺。这直接导致国内很多高品质的酶制剂仍然被一些国际大公司把持：如诺维信、AB Enzyme、天野、NEB等。张冲：我们有没有可能通过反向工程通过测序把国外好的做出来？黄华：通过测序我们可以快速定位酶的序列，但是对于酶制剂生产而言，其序列信息的获取仅为产品开发的第一步，而其最终酶品质更多的决定于其它因素，如质粒、底盘细胞的选择、发酵工艺细节等。当今的信息环境为我们提供了大量直接相关、间接相关抑或是误导性的信息，通过对这些信息的深度分析、筛选、排除我们基本上能确定具体实践方案，但这并不能构成具体产品的生产优势，其真正的优势往往是市面上很难找到的，需要自己不断实践所积累的实验细节。对于国内酶制剂生产行业而言，酶的高活力表达以及高稳定发酵生产需要我们通过长期的、大量的实践摸索并最终形成一门指导性的专业学科。张冲：现在做的很多一些特殊的反应，这个酶实际上是我们采购的酶吗？黄华：不是的，这些酶是我们自己生产的。如上所述，现今我们将酶是作为一个生产工具，我们自己设计、发酵产酶，然后自己用酶做我们所需要的产品，现阶段还未考虑给外单位提供酶制剂。整个酶的开发、生产流程是与具体项目开发进程同步的，首先我们获得想要的酶(筛选/改造), 然后小量测试、表达该酶，此时少量的酶则被用来做小量的产品转化；随着产品转化浓度、体积的不断增大，产酶发酵罐也会越来越大，发酵细节参数也会越来越多；依此步骤直到实现最终产品的规模化生产。所以在整个产品开发周期，酶的发酵生产所占的比重是逐渐增大的。黄华：这是一个商业策略问题。随着公司发酵部门的逐渐壮大，我们今后一定会朝酶制剂领域的商业方向拓展，但是具体到催化剂产品的酶是否去销售或者哪些酶会去商业化我们一定会慎重决策。
食品级酶张冲：酶催化即所谓的胞外合成，细胞工厂即所谓的胞内合成。这两种生物合成方式在工业放大各自遇到的难点是什么呢？黄华：酶工业化分为两个环节：一个是酶的规模化发酵，二个是酶的工业催化应用。利用酶做催化剂应用相对简单，因为相比于传统的化工生产，酶催化条件更简单、更容易控制，酶催化利用水作为反应介质，通常室温、常压搅拌就能实现，因此酶工业化的难点存在于酶发酵生产的规模化。细胞工厂的工业化略有不同，它将酶工业化的两个环节进行了合并，这使得菌株的规模化发酵应用成为其唯一需要攻克的目标。当然酶工业化发酵生产的目标是酶，而细胞工厂菌株发酵生产的产品是代谢物(如PHA、麻黄碱等)，由于细胞内代谢物生物合成往往涉及到一系列酶基因的表达、调控以及催化，因此通常而言细胞工厂的规模化发酵工艺会更复杂。由以上比较也可以看出，无论是酶催化还是细胞工厂，本质上都是利用生物催化剂-酶的化合物转化能力；虽然细胞工厂利用整合的概念一劳永逸的将代谢物转化所涉及到的所有酶一并构建在细胞内，但是酶催化应用的两步模式也有其独特的优势；首先是酶工业应用壁垒-酶的规模化发酵会相对可控(这点很关键)，其次是酶的工业催化应用形式具有多样化，譬如可以采用细胞催化、粗酶液催化、纯化酶催化、酶晶体催化、固定化酶催化等等，这些应用形式在某些场景能发挥独特的优势。酶催化应用的另外一个优势是其与传统化学工业以及新兴的全细胞应用的兼容性，酶催化本质上来说也属于化学催化应用(归于绿色催化应用)，因此可以很好的融入到当今已经很成熟的化学工业中去，化学公司药明康德专门成立了基于生命分子研究的合全药业，凯莱英医药、博腾药业相继成立了酶催化部门都有力的说明了酶催化与传统化学的兼容性与互补性；与此同时，酶与细胞也具有很好的兼容性，譬如在复杂污水处理的解决方案中，特定酶与菌株的结合应用是其最常见策略。虽然酶的经验式应用可以追溯到1897 年，当时Edward Buchner从酵母破碎液中提取到含酶的混合体“Zymase”，而基于基因工程技术发展而来的现代酶催化技术发展历史并不长，无论是在理论研究还是在应用研究方面都还存在巨大的未知领域有待我们去开拓。以上述酶工业应用的两个环节为例，我们酶规模化发酵系统知识还未建立，酶发酵的底盘细胞还很有限，这直接导致生物界大量种类的酶还未能实现有效发酵生产；在酶的工业催化应用方式方面我们也还处于早期阶段，与材料结合应用的固定化酶则处于更初级阶段，而模仿细胞工厂的体外多酶联级催化应用(细胞外制造)也还处于刚起步的阶段。
酶催化（胞外合成）
张冲：酶催化和细胞工厂这两种生物合成方式的产品应用方向都有哪些呢？黄华：产品应用有一定的差异性。对于细胞工厂而言，国内做的比较好的企业如凯赛生物生产二元酸，华恒生物开发β-丙氨酸以及蓝晶微生物的PHA即将量产等；由于细胞工厂一般开发周期长，且优势更体现在其规模化效应上，所以该技术现主要应用于大宗商品的生产。而由于酶催化技术开发周期相对较短、且其应用场景的多样性决定了具有更为广泛的应用，这包括很多应用细分领域的个性化产品，例如护肤品、美容品、精准医疗产品等等。张冲：那么，细胞工厂这种生产制造方式是否更有优势？但这类企业比酶催化的企业数量少很多，是什么原因呢？黄华：上述介绍了细胞工厂是一种更为复杂、更为集成的制造方式。正是由于其复杂性高，所以前期开发周期会非常长(研发成本高)；而对于一个企业而言，公司采用某技术时一定要评估其竞争力和市场回报两个方面。而对于小市场的品种(往往价格高)细胞工厂在整体竞争力(化学合成及酶催化技术也可以做，而差异体现在生产价格上)以及市场整体回报上并不足够高；所以我认为细胞工厂的最佳应用场景是大宗品/超大宗品的生产上。而酶催化技术由于其多样性及与化学、细胞应用的兼容性可以有效融入到其它各类产品生产场景(这包括一些非天然的、复杂的药物中间体)，由于可生产的产品总类多，故酶催化应用相关企业也会多。张冲：未来市场需求更多是的各种小而精的产品，是不是更多的是化学合成解决不了且环境成本要求高的产品？黄华：整体而言，市场中大宗/超大宗商品数量是有限的，并且这些大宗商品都有比较成熟的、源于化学工业的生产工艺和产业链。随着政府不断的提升生产中的环境成本，故传统工艺生产价格也水涨船高；这直接导致了两种结果，一是进一步优化原有工艺以满足更严苛的环境要求，二是开发新技术。现今生物技术还未形成完善的产业链，在技术上，它一方面协助传统化学工业升级改造，另一方面独树一帜开拓自己新的领域。在产品上也比较类似，生物技术一方面可以优化、提升已有产品的生产工艺，提升产品品质、降低生产价格；另一方面，生物技术则可以实现生产一些以前化学工业无法生产的产品。所以我认为未来市场上小而精的产品会很多，而具体生产所采用的生产技术将会依据具体产品的个性化特征进行专有的技术配置，某些适合化学法、某些适合生物法，而还有些更适合用化学与生物结合法。
生物合成方式的技术迭代黄华：我们需要构建氨基酸序列sequence，再设计蛋白结构structure，最后再实现function。我们从很早就开始研究，但现在有的难点还没突破，只能部分预测其功能。如果要让酶能够做高性能的个性化应用的时候，只能开展部分预测，然后其他大部分的工作需要去test。即先改构，然后再看功能，然后再改再反馈，如此循环。应该说这两方面的技术都在向前发展，一个是提高预测精度，让不确定性降的更低一点，另外一点就是通过实验通量增大可以在短时间做的更大量测试，这两点需要人工智能的方法来加以实现。张冲：自动化酶开发过程中有软件和硬件的特殊要求吗？黄华：我们是每一个环节都有自己独立的专属软硬件模块，例如高通量挑蛋白、挑菌落、精准滴液及培养自动化，赵惠民教授在做的就是整个系列操作，涉及到生物实验的自动化，并将每一步实验的标准化以后再进行衔接，均需要硬件软件的配合。
合成生物学筛选路径DBTL黄华：刚起步时我们是从一两个产品小试开发之后再规模化发酵生产，如果每一个流程技术都做的很好的话，短时间内比如几周时间就可以开发10个甚至20个产品，这其实就是平台化。我们希望把平台搭建起来之后，能快速做一些产品，然后把这些产品商业化，最后携手客户一起做到产业化。我们所做的产品是具有系统性的，比如我们有很多产品需要用到组氨酸作为原料，而市场上组氨酸价格又相对较高，所以我们也将组氨酸发酵生产纳入到具体研发项目规划，该项目的完成则可以进一步降低下游产品的生产价格。在酶催化的领域，我们在改造过程中不断了解酶的机制，了解其氨基酸序列-功能关系，以上比较清楚后就较为容易通过对酶特定残基的替换以适应不同底物的催化活性；按照这个思路，我们已经开发了数十个升级版的产品；在多肽领域，我们基于肌肽酰胺键合成酶的深入认识让我们快速的将这个技术移接到其它短肽的酶生产上。基于创新技术，我们还开发了多糖、多肽和核酸。这些产品都具有模块化的特点，通过糖基转移酶以及糖基水解酶的多糖构建与修饰也是我们今后重点要开拓的方向。概括下来，我们将基础分子进行对接改造，然后深入分析，通过模块化片段和其对接。这里面设计产品层面、酶的层面和技术层面的三个相关性。
自动化平台技术的搭建张冲：在工业化放大有什么know how，我们怎么解决放大的问题？黄华：做一个产品第一步是设计最佳路线，第二步是造酶(通过筛选&改造)，第三步规模化发酵生产；在上面我反复提到最后一步在酶的实际工业催化中的重要性。在催化层面，酶催化条件相对温和、简单，反应器、温度、pH值、盐浓度等要求都不高，可控。而酶的发酵放大效应比较显著，项目开发后期的重心基本上都是在发酵产酶方面。对于最终发酵吨级的目标，首先是将发酵小试测试，随后是把活性做好，最后把批次和批量做稳定。这方面需要非常很多有经验的技术人员不断实践、摸索，搜集具体数据。整体来看，大部分时间都放在酶的修饰和生产上。
工业化逐级放大黄华：基因片段改造都是常规的基因编辑手段，我们在酶和细胞改造方面正在加强，最近引进了数个博士做这方面的开发。底盘细胞包括大肠杆菌、酵母及其他专属底盘细胞的筛选。通过不断的组合和测试得到最优的组合方案，这里面也用到了大量机器学习的思想。我们不断的引进人才，最终是希望把公司的这个专业平台也打造起来。
基因片段和底盘细胞的筛选张冲：瑞德林生物作为国内头部合成生物学企业，未来的发展战略是什么呢？黄华：首选高附加值市场用量大的产品，但同时我们必须具有成本领先优势。我们不怕竞争，竞争能有效促进我们对技术专研的深度，同时竞争也有利用整个市场的良性发展。例如NMN市面上已经有不少公司在做，虽然我们现阶段已经做得很好，但是市场上的竞争鞭策我们要做好每个技术细节从而实现更好。为维持公司长久的竞争力，我们首先需要在生产的每一环节都建立高度专业的技术团队，因为国内没有现成的这方面人才，所以我们需要自己培养。
其次不断对接最新前沿技术到公司技术平台，因此可以实现自己不断发展优化及迭代更新。譬如保持对Alphabet公司开发的Alphago 即蛋白序列-结构预测的持续关注，虽然现阶段Alphago对有效指导酶理性设计改造的帮助可能很有限, 因为酶的催化过程是一个很柔性、动态的过程，而这在现阶段仍然很难精准预测。我们都习惯于去寻找一些通用的方法以解决所有问题，但现实情况是，无论是酶改造还是生物个体改造都是非常个性化，我们要想真正有效的改造利用它, 我们在保持对通用新技术的持续关注的同时更需要对个体对象进行系统深入的实践研究。因此，可以说在酶改造这方面我们还有很长的路要走。一般酶改造平台的效率体现在单酶的改造周期以及所能改造酶的种类上，今后一旦我们在这两方面获得突破，市面上与酶应用相关的产品将会越来越多。
