陈根：食品合成生物学，食品的“未来式”

文/陈根

气候变化、人口的持续增长、逐渐减少的耕地，以及人们对健康的需求，让粮食问题成为一个全球性问题——如何保障安全、营养和可持续的食品供给面临巨大挑战。这些挑战也对未来食品供给方式和功能提出了新的要求。

如今，我们已经走到了食品变革的前夜，在合成生物技术下，各种各样的“新食品”应运而生。从耕地资源生产食物，转变为全方位、多途径开发食物资源，创新蛋白来源、食品原料和食品工业配料，开发用于食品生产的细胞工厂。可以说，人类正在以科技手段赋能食品产业，拓展食品边界。

变革食品生产方式

合成生物学是继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划”之后，以工程化的手段设计合成基因组为标志的第三次生物技术革命。作为一门前沿交叉学科，合成生物学汇聚并融合了生命科学、工程学、基因组学等诸多学科，并展现出极其广阔应用前景。在食品方面，合成生物正在成为推动新食品发展的关键技术。

在今天，由于环境污染、气候变化和人口增长，传统食品获取方式和供给模式日益面临巨大挑战。以肉类食品为例，自1960年至今，全球人口翻了一番人类对动物制品的消费已经增长了5倍，这一数字还将继续增长。更严峻的是，包括印度在内等原本较为贫穷的国家变得越来越富裕，许多以前主要以植物性饮食为主的人，开始转向需要大量肉类、鸡蛋和乳制品的美式饮食。

并且，肉类生产与气候变化息息相关。在人类排放的所有温室气体中，14.5%来自畜牧业——畜牧业的温室气体排放量与所有交通工具的排放总量，包括乘用车、卡车、轮船、飞机等差不多。肉牛和乳牛不仅会透过肠道发酵和粪便排放甲烷、导致土地发生变化，还会在生产饲料、消耗能源、运蝓的过程中间接排放温室气体，是甲烷和温室气体的最大排放源。

相关挑战对未来食品供给方式和功能提出了新的要求。食品获取方式和功能的改变将成为人类未来生产方法和生活方式改变的代表性问题，未来食品应该具备“更安全、更营养、更方便、更美味、更持续”的特征。

在这样的情况，合成生物学为食品重要组分、功能性食品配料和重要功能营养因子的生物制造提供了关键技术和方法支撑。食品合成生物学其实就是在传统食品制造技术基础上，采用合成生物学技术，特别是食品微生物基因组设计与组装、食品组分合成途径设计与构建等，实现更安全、更营养、更健康和可持续的食品获取方式。

首先，食品合成生物学可以改善传统的食品生产和制造，比如合成肉类，合成生物学的出现使得肉类类似物在外观和色香味等特征上能够模拟真实的肉。从而满足消费者对食品数量和质量日益增长的需求。其次，食品合成生物技术使得人们将能够定制设计、生产所需的食物成分，从而改善食品的营养和补充食品新功能。最后，合成生物学可以改造传统发酵生产方式，构建工程微生物，从而将可再生原料转化为主要食品成分、功能性食品添加剂和营养化学物质，比如，开发菌株使其直接利用二氧化碳等新原料，实现无需植物参与的负碳生产。

当前，食品正在成为全球合成生物市场重要增长极。近年来，许多企业逐步从平台型全能企业，分化出专注于某一垂直领域的企业，并在细分市场站稳脚跟后，开始布局更有技术优势和产品壁垒的新兴市场。可以说，今天，合成生物学已经成为推动新食品发展的关键技术。

食品“未来式”

目前来看，食品合成生物学最受关注的两方面，也是食品合成生物学具有独特优势的两方面，就是革新微生物食品生产，以及开发高附加值的替代蛋白。

从微生物食品生产来看，长期以来，微生物在人类食品生产上都具有不可代替的重要作用。而可食用的微生物，因其有着生态环保、生长速度快以及能够生产多类营养素等优势，已经在近年被提议作为食品和饲料的可能替代品。然而，天然微生物的直接生产和食用，仍然面临应用上的难题。

究其原因，一方面，微生物中的目标营养素含量仍然较低，另一方面，则是部分微生物存在不良特性，例如要是过量摄入核酸高度积累的酵母和细菌细胞，可能会导致血液中尿酸水平升高，最终导致痛风等症状。

合成生物技术的出现和发展，革新了这一现状，这种能够直接设计定制活体微生物的强大方法，使得人们能够直接改造微生物从事更加专门、更加健康的食品成分定制生产。合成生物技术的发展提供了多样化工具，使得研究人员能够对微生物进行设计、组装、调试和改造，以满足各类需求。

根据研究人员的统计，世界卫生组织（WHO）标准中所有营养素目前都能够通过微生物生产提供，这其中囊括了碳水化合物、脂肪和蛋白质的常量营养素以及维生素、膳食纤维和矿物质的微量营养素。

在开发代替蛋白方面，近年来，随着人们生活水平的日益提高，动物来源的优质蛋白质已经无法满足不断增长的需求。合成生物学的发展却实现了通过微生物进行高价值蛋白质的设计和生产。

比如血红蛋白。血红蛋白合成代谢途径主要包含珠蛋白合成和血红素合成两个模块。合成生物技术，能够在底盘细胞中优化与适配高效珠蛋白合成模块和高效血红素合成模块，提升血红蛋白合成效率。并我i人，在获得高效血红蛋白合成菌株的基础上开展发酵过程优化，为菌株生长和血红蛋白合成过程提供适宜的营养条件和环境条件，助力细胞工厂发酵法高效合成血红蛋白。

以合成生物生产替代蛋白的另一推动力是对环境的友好。首先，微生物对氮、磷和其他营养物质的利用效率显著高于植物，减少人工施肥下氮磷流失对环境的影响。其次，微生物发酵能够显着减少土地和水的依赖，不直接与粮食作物竞争土壤和淡水资源，可以规模化合集约化生产。最后，传统的牲畜饲养是温室气体甲烷排放的主要来源，以能量转化角度来看，采用替代蛋白与传统肉类相比可以减少 80% 以上的碳排放。

如今，我们已经走到了食品变革的前夜，合成生物技术的发展，正在为无需植物、动物的食品生产开辟着全新的道路。

虽然在全球范围内，审批与监管仍然严格，但战略部署及政策支持也已经凸显。美国作为合成生物技术的先驱者，具有最活跃的市场和技术氛围，是合成生物学全球最大的区域市场；英国较早就重视合成生物学发展；欧盟最早拟定合成生物学发展路线，促进其发展欧洲循环生物经济。

我国在2022 年，也提出“探索新型食品，实现食品工业化迭代升级，降低传统养殖环境资源压力”， 2022 年转基因来源的食品营养强化剂公开征求意见，展现出对合成生物技术主导的新食品的政策利好态势。

可以预见，随着合成生物学的应用，未来传统农牧业生产体系将被改革，生物农药、无动物的生物工程、奶和糖替代品、工程化啤酒、人造肉等都可以通过微生物反应器生产。当然，在那之前，生物合成产品先要通过安全性的试验。