全球經濟發(fā)展、人口增長和生活水平提高帶來了蛋白質需求的大幅度增加，蛋白質資源緊缺已成為日益嚴峻的全球性問題。我國作為擁有14億人口的發(fā)展中大國，對蛋白質資源的巨大需求是關乎國計民生和國家戰(zhàn)略安全的核心議題。然而，傳統(tǒng)依賴農業(yè)和畜牧業(yè)的蛋白質生產模式面臨嚴峻挑戰(zhàn)。一方面，畜牧養(yǎng)殖和大豆種植等傳統(tǒng)生產方式占用大量土地、水資源，排放大量二氧化碳等溫室氣體，加劇了環(huán)境壓力和氣候變化。另一方面，我國蛋白質的持續(xù)短缺，導致每年大豆等糧食進口量居高不下，嚴重威脅我國糧食安全。面對這個現狀，以微生物細胞工廠為核心驅動力的新質蛋白生物制造，正展現出前所未有的巨大潛力與發(fā)展前景，為實現蛋白質供給的范式革命提供了全新路徑。
圖1 微生物細胞工廠介導的新質蛋白生物制造
微生物細胞工廠，本質上是利用合成生物學等前沿技術，對酵母、細菌、絲狀真菌以及微藻等微生物進行深度設計與精準改造，將其重塑為高效合成目標產物的“活體機器”（圖1）。微生物細胞工廠利用淀粉糖等糧食原料，秸稈等農林廢棄物甚至CO2等一碳原料來生物制造菌體蛋白、酶蛋白和功能蛋白，代表一種全新的蛋白質生產力，不僅關乎未來食品的變革，更是一場深刻的工業(yè)革命，有望為構建可持續(xù)的未來社會提供強大的物質基礎。該文聚焦當前新質蛋白領域的發(fā)展動態(tài)，重點分析通過先進生物技術手段優(yōu)化微生物底盤細胞，從而高效合成符合食品級標準的新型、高質量蛋白質產品的技術路徑、產業(yè)化與應用前景，以及未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和方向。
1 新質蛋白發(fā)展背景與意義
（1）全球蛋白質需求的增長與可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn) 全球蛋白質資源需求猛增的原因是多方面的疊加效應。研究表明，未來幾十年全球蛋白質需求量預計將增長50%以上，這對現有蛋白質生產體系提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
（2）傳統(tǒng)蛋白質生產方法的局限性 傳統(tǒng)的畜牧種植業(yè)不僅消耗大量的土地、水、能源等資源，而且對生態(tài)環(huán)境具有破壞性，難以實現可持續(xù)發(fā)展。隨著人口持續(xù)增長和“碳中和”目標的約束，傳統(tǒng)蛋白質生產模式難以長期維持大規(guī)模、可持續(xù)的蛋白質供給，迫切需要構建更可持續(xù)的蛋白質供給新模式。
（3）微生物細胞工廠的優(yōu)勢 其核心優(yōu)勢首先體現在生產效率上，微生物具有快速增殖的特性，其世代周期遠短于植物細胞，可在數日內完成生產流程。可以利用較為豐富廉價的秸稈、果渣等農業(yè)與食品加工廢棄物，甚至CO2等工業(yè)廢氣作為碳源，配合氨水、尿素等低成本氮源，有望實現低成本生產，并且可與循環(huán)經濟更好地結合。同時借助生物反應器可以實現工業(yè)化放大，生產條件溫和、過程可控，消耗的能源和廢物、廢氣排放遠小于傳統(tǒng)畜牧業(yè)，符合綠色生產的理念。產品純度更高，避免傳統(tǒng)提取工藝中可能遇到的病毒、農藥殘留等問題，可以在人為創(chuàng)造的環(huán)境內持續(xù)不斷生產，不受季節(jié)、氣候的影響。
2 新質蛋白微生物細胞工廠的構建策略
微生物細胞工廠作為可再生資源合成新質蛋白的核心平臺，其構建依托于系統(tǒng)生物學、合成生物學、發(fā)酵工程及人工智能（AI）等多學科技術的協(xié)同，通過基因設計、代謝途徑與網絡、底盤細胞的迭代設計、構建、測試與學習工程循環(huán)（圖2），提升微生物細胞工廠性能，實現目標蛋白的高效、可控生產。微生物新質蛋白生產主要分為生物質發(fā)酵與精密發(fā)酵兩大技術體系。前者利用微生物細胞工廠繁殖迅速和蛋白質含量高的特性，規(guī)模化生產菌體蛋白；后者則通過微生物細胞工廠表達生產酶蛋白和功能蛋白。
圖2 新質蛋白微生物細胞工廠創(chuàng)制
3 新質蛋白生物制造：系統(tǒng)設計與優(yōu)化
新質蛋白的生物制造是合成生物學與生物制造領域的核心挑戰(zhàn)，其高效實現依賴于從分子到工藝的全鏈條一體化設計與系統(tǒng)優(yōu)化（圖3）。在分子水平，通過理性設計與深度學習優(yōu)化編碼序列及表達元件，奠定高效表達的基礎；在細胞水平，重構底盤細胞的代謝與調控網絡，最大化資源流向目標蛋白合成；在工藝水平，創(chuàng)新發(fā)酵與分離純化策略，實現制造效率與經濟性的雙重提升。唯有貫通這3個層級的設計與優(yōu)化，才能突破生物制造的瓶頸，推動新質蛋白的產業(yè)化應用。
圖3 新質蛋白生物制造系統(tǒng)設計與優(yōu)化
4 非糧食原料利用與新質蛋白可持續(xù)生物制造
碳源是蛋白質合成過程中的主要原料，傳統(tǒng)的動物蛋白生產使用玉米、豆粕等糧食作物為原料，占用了大量的土地及水資源；新質蛋白生物制造采用的是非糧可再生碳源，如農業(yè)廢棄物、工業(yè)廢氣等，切斷了傳統(tǒng)糧食這一環(huán)節(jié)，從而達到碳的循環(huán)利用。農業(yè)廢物（秸稈、麩皮等）可以轉化為高價值碳源，或用來生產蛋白質。此外，CO?作為“終極碳源”展現出顯著的顛覆性潛力，借助合成生物學手段改造的微生物（如藍藻、工程大腸桿菌等），能夠高效固定并轉化CO?，甚至可直接利用工業(yè)排放的CO?合成蛋白質，為實現碳循環(huán)經濟提供全新的技術路徑。
5 微生物細胞工廠生產的新質蛋白的市場應用前景
微生物細胞工廠生產的新質蛋白憑借高效、可定制和可持續(xù)的特性，在食品領域具有廣闊的市場前景。利用微生物新質蛋白發(fā)展蛋白肉產品，是目前備受關注的方向。通過酵母、細菌或真菌等微生物細胞工廠，可高效生產與動物肉營養(yǎng)成分和風味特性高度相似的蛋白質，甚至能夠定制特定氨基酸組成和質構特性。相較于傳統(tǒng)植物基蛋白肉，利用微生物新質蛋白開發(fā)的蛋白肉不含過敏原，生產過程不受氣候影響，且資源利用效率高，環(huán)境足跡顯著降低。微生物細胞工廠是核心（決定蛋白質轉化效率），高效底盤菌株篩選技術可降低成本。威尼斯鐮刀菌作為生產菌絲蛋白的核心菌株，憑借獨特的生物學特性，高效的代謝能力及適配工業(yè)化生產的優(yōu)勢，成為全球新質蛋白領域的標桿菌株。目前，英國、美國、歐盟、中國等多個國家和地區(qū)已建立起基于微生物細胞工廠的大規(guī)模可持續(xù)生產體系，并開發(fā)出多種蛋白肉產品，銷往全球數十個國家。
此外，微生物細胞工廠還能夠定制化生產多種高附加值食品成分，包括高性能食品酶、高甜度低熱量的天然甜味蛋白、營養(yǎng)與功能高度一致的乳清蛋白，以及具備抗氧化與抗菌等功能活性肽。這些產品契合清潔標簽、健康營養(yǎng)和可持續(xù)消費的新興需求，正在引領未來食品產業(yè)的創(chuàng)新方向。
6 未來展望
微生物細胞工廠作為新質蛋白生物制造的核心平臺，正引領一場深刻的食品與農業(yè)科技革命，展現出顛覆傳統(tǒng)農業(yè)生產模式的巨大潛力，然而其發(fā)展仍面臨多重挑戰(zhàn)，未來需要在技術創(chuàng)新與產業(yè)應用上實現關鍵突破。
6.1 蛋白質性能設計優(yōu)化
目前從氨基酸序列精確預測三維結構及理化性質仍極為困難，尤其是對全新設計的蛋白，其折疊穩(wěn)定性、溶解性及分子互作能力難以預判，嚴重限制了理性設計的成功率。實際應用往往要求新質蛋白兼具營養(yǎng)、質構、乳化性等多種特性，而將不同功能域整合于單一分子或復合物中，涉及復雜的多肽協(xié)調表達與組裝，這對現有技術提出了極高的要求。
利用人工智能（尤其是深度學習）模型，可對海量蛋白質序列-結構-功能數據進行訓練，實現對新蛋白功能的精準預測和逆向設計，這將大幅縮短設計周期，從“試錯”走向“精準創(chuàng)制”。采用模塊化設計理念，將不同功能域（如催化結構域、錨定結構域、穩(wěn)定結構域）進行組合與優(yōu)化，像搭積木一樣構建具有復合功能的新型蛋白，以滿足不同食品的具體應用需求。
6.2 底盤細胞性能改造優(yōu)化
底盤細胞性能是微生物細胞工廠高效合成新質蛋白的核心瓶頸。現有底盤細胞的蛋白質合成能力有限，復雜或大分子外源蛋白易錯誤折疊形成包涵體，導致活性產物得率低；缺乏精確的翻譯后修飾能力（如糖基化、磷酸化等），使真核源蛋白的功能性和安全性不足；還有在工業(yè)發(fā)酵環(huán)境中的脅迫條件（如溫度、pH波動）顯著影響抗逆性和生產穩(wěn)定性。
可通過多技術融合對底盤細胞進行系統(tǒng)優(yōu)化。運用合成生物學策略，通過基因組精簡、代謝途徑重構及異源修飾系統(tǒng)引入，設計高效合成且具備精準加工能力的新一代底盤細胞。結合自動化平臺與人工智能，建立高通量構建和機器學習輔助的篩選與優(yōu)化體系，實現對蛋白表達、折疊和分泌過程的精準調控。最后，借助適應性實驗室進化等技術，選育耐受工業(yè)苛刻條件的魯棒性底盤細胞，提升生產穩(wěn)定性和經濟性。通過這些系統(tǒng)性改造，推動微生物細胞工廠實現從“能合成”到“高效、穩(wěn)定、可控生產”的跨越。
6.3 非糧原料利用與過程工藝優(yōu)化放大
傳統(tǒng)發(fā)酵依賴葡萄糖等糧食基原料，成本高且存在“與人爭糧”的倫理爭議，而非糧原料（如秸稈水解液、糖蜜、CO?/甲烷等）雖來源廣泛、成本低，但成分復雜且含抑制物，會嚴重抑制細胞生長和蛋白質合成，且微生物往往缺乏高效利用這些碳源的天然代謝途徑，導致轉化效率和產率低下。與此同時，工藝放大是另一大瓶頸：實驗室成功的微生物細胞工廠，在工業(yè)級發(fā)酵罐中常因傳質傳氧不足、混合不均和熱移除困難等問題，導致代謝異常、副產物積累和產率大幅下降，嚴重影響生產穩(wěn)定性和產品質量。
未來需通過多技術路徑協(xié)同突破。一方面利用合成生物學重構細胞代謝網絡，提升對復雜碳源的利用效率，并結合定向進化選育耐受抑制物的魯棒菌株；另一方面需開發(fā)在線監(jiān)測與智能控制策略，設計新型生物反應器，并建立機理與數據驅動的放大模型，實現精密調控和平穩(wěn)放大。最終通過原料創(chuàng)新與工藝升級的深度融合，推動新質蛋白生物制造實現低成本、高效、可持續(xù)的工業(yè)化生產。
微生物細胞工廠運用合成生物學以及交叉學科的技術手段，創(chuàng)造全新的蛋白質生物制造模式，在具有更強可持續(xù)性、更高效益和更強功能性的優(yōu)點的同時，也為實現糧食安全、碳中和，維護人類健康提供強有力的技術支撐。隨著技術的發(fā)展和產業(yè)生態(tài)的不斷成熟，微生物細胞工廠將是未來主導的新質蛋白生物制造方式之一，是推動未來食品和生物經濟發(fā)展的重要力量。在未來的食品科技版圖中，升級蛋白質產品新需求，微生物新質蛋白有望成為傳統(tǒng)蛋白質來源的有力補充，為消費者提供更多元、更健康、更可持續(xù)的選擇。而新質蛋白在食品各領域研究的不斷深化，正逐步推動現有產業(yè)形態(tài)的迭代升級；同時，其應用潛力也將深度融入人類社會的可持續(xù)發(fā)展進程，為解決資源、環(huán)境等核心議題提供全新路徑。
原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=UsPV4INcYzgv4YPBB4KeTeYJx82SVUFiKUmXiiQIBU3GDpjv1LnWTSh5pBdzip9nJ_DM5-mQGauGOgcEpQ02yqLSUodidgvc66ykBBtJo3uIn_8m7YC5KZ5cyHg6qbxXbMFOSm07lFGMAMiUxLej3DZhuOX7wCrZ8yyW3Rbo87m7rBso38Yk_A==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
