文|觀察未來科技
氣候變化、人口的持續(xù)增長、逐漸減少的耕地，以及人們對健康的需求，讓糧食問題成為一個全球性問題——如何保障安全、營養(yǎng)和可持續(xù)的食品供給面臨巨大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)也對未來食品供給方式和功能提出了新的要求。
如今，我們已經(jīng)走到了食品變革的前夜，在合成生物技術(shù)下，各種各樣的“新食品”應(yīng)運而生。從耕地資源生產(chǎn)食物，轉(zhuǎn)變?yōu)槿轿?、多途徑開發(fā)食物資源，創(chuàng)新蛋白來源、食品原料和食品工業(yè)配料，開發(fā)用于食品生產(chǎn)的細胞工廠?？梢哉f，人類正在以科技手段賦能食品產(chǎn)業(yè)，拓展食品邊界。
變革食品生產(chǎn)方式
合成生物學(xué)是繼“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組計劃”之后，以工程化的手段設(shè)計合成基因組為標志的第三次生物技術(shù)革命。作為一門前沿交叉學(xué)科，合成生物學(xué)匯聚并融合了生命科學(xué)、工程學(xué)、基因組學(xué)等諸多學(xué)科，并展現(xiàn)出極其廣闊應(yīng)用前景。在食品方面，合成生物正在成為推動新食品發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
在今天，由于環(huán)境污染、氣候變化和人口增長，傳統(tǒng)食品獲取方式和供給模式日益面臨巨大挑戰(zhàn)。以肉類食品為例，自1960年至今，全球人口翻了一番人類對動物制品的消費已經(jīng)增長了5倍，這一數(shù)字還將繼續(xù)增長。更嚴峻的是，包括印度在內(nèi)等原本較為貧窮的國家變得越來越富裕，許多以前主要以植物性飲食為主的人，開始轉(zhuǎn)向需要大量肉類、雞蛋和乳制品的美式飲食。
并且，肉類生產(chǎn)與氣候變化息息相關(guān)。在人類排放的所有溫室氣體中，14.5%來自畜牧業(yè)——畜牧業(yè)的溫室氣體排放量與所有交通工具的排放總量，包括乘用車、卡車、輪船、飛機等差不多。肉牛和乳牛不僅會透過腸道發(fā)酵和糞便排放甲烷、導(dǎo)致土地發(fā)生變化，還會在生產(chǎn)飼料、消耗能源、運蝓的過程中間接排放溫室氣體，是甲烷和溫室氣體的最大排放源。
相關(guān)挑戰(zhàn)對未來食品供給方式和功能提出了新的要求。食品獲取方式和功能的改變將成為人類未來生產(chǎn)方法和生活方式改變的代表性問題，未來食品應(yīng)該具備“更安全、更營養(yǎng)、更方便、更美味、更持續(xù)”的特征。
在這樣的情況，合成生物學(xué)為食品重要組分、功能性食品配料和重要功能營養(yǎng)因子的生物制造提供了關(guān)鍵技術(shù)和方法支撐。食品合成生物學(xué)其實就是在傳統(tǒng)食品制造技術(shù)基礎(chǔ)上，采用合成生物學(xué)技術(shù)，特別是食品微生物基因組設(shè)計與組裝、食品組分合成途徑設(shè)計與構(gòu)建等，實現(xiàn)更安全、更營養(yǎng)、更健康和可持續(xù)的食品獲取方式。
首先，食品合成生物學(xué)可以改善傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)和制造，比如合成肉類，合成生物學(xué)的出現(xiàn)使得肉類類似物在外觀和色香味等特征上能夠模擬真實的肉。從而滿足消費者對食品數(shù)量和質(zhì)量日益增長的需求。其次，食品合成生物技術(shù)使得人們將能夠定制設(shè)計、生產(chǎn)所需的食物成分，從而改善食品的營養(yǎng)和補充食品新功能。最后，合成生物學(xué)可以改造傳統(tǒng)發(fā)酵生產(chǎn)方式，構(gòu)建工程微生物，從而將可再生原料轉(zhuǎn)化為主要食品成分、功能性食品添加劑和營養(yǎng)化學(xué)物質(zhì)，比如，開發(fā)菌株使其直接利用二氧化碳等新原料，實現(xiàn)無需植物參與的負碳生產(chǎn)。
當前，食品正在成為全球合成生物市場重要增長極。近年來，許多企業(yè)逐步從平臺型全能企業(yè)，分化出專注于某一垂直領(lǐng)域的企業(yè)，并在細分市場站穩(wěn)腳跟后，開始布局更有技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品壁壘的新興市場?？梢哉f，今天，合成生物學(xué)已經(jīng)成為推動新食品發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
食品“未來式”
目前來看，食品合成生物學(xué)最受關(guān)注的兩方面，也是食品合成生物學(xué)具有獨特優(yōu)勢的兩方面，就是革新微生物食品生產(chǎn)，以及開發(fā)高附加值的替代蛋白。
從微生物食品生產(chǎn)來看，長期以來，微生物在人類食品生產(chǎn)上都具有不可代替的重要作用。而可食用的微生物，因其有著生態(tài)環(huán)保、生長速度快以及能夠生產(chǎn)多類營養(yǎng)素等優(yōu)勢，已經(jīng)在近年被提議作為食品和飼料的可能替代品。然而，天然微生物的直接生產(chǎn)和食用，仍然面臨應(yīng)用上的難題。
究其原因，一方面，微生物中的目標營養(yǎng)素含量仍然較低，另一方面，則是部分微生物存在不良特性，例如要是過量攝入核酸高度積累的酵母和細菌細胞，可能會導(dǎo)致血液中尿酸水平升高，最終導(dǎo)致痛風(fēng)等癥狀。
合成生物技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，革新了這一現(xiàn)狀，這種能夠直接設(shè)計定制活體微生物的強大方法，使得人們能夠直接改造微生物從事更加專門、更加健康的食品成分定制生產(chǎn)。合成生物技術(shù)的發(fā)展提供了多樣化工具，使得研究人員能夠?qū)ξ⑸镞M行設(shè)計、組裝、調(diào)試和改造，以滿足各類需求。
根據(jù)研究人員的統(tǒng)計，世界衛(wèi)生組織（WHO）標準中所有營養(yǎng)素目前都能夠通過微生物生產(chǎn)提供，這其中囊括了碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的常量營養(yǎng)素以及維生素、膳食纖維和礦物質(zhì)的微量營養(yǎng)素。
在開發(fā)代替蛋白方面，近年來，隨著人們生活水平的日益提高，動物來源的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)已經(jīng)無法滿足不斷增長的需求。合成生物學(xué)的發(fā)展卻實現(xiàn)了通過微生物進行高價值蛋白質(zhì)的設(shè)計和生產(chǎn)。
比如血紅蛋白。血紅蛋白合成代謝途徑主要包含珠蛋白合成和血紅素合成兩個模塊。合成生物技術(shù)，能夠在底盤細胞中優(yōu)化與適配高效珠蛋白合成模塊和高效血紅素合成模塊，提升血紅蛋白合成效率。并我i人，在獲得高效血紅蛋白合成菌株的基礎(chǔ)上開展發(fā)酵過程優(yōu)化，為菌株生長和血紅蛋白合成過程提供適宜的營養(yǎng)條件和環(huán)境條件，助力細胞工廠發(fā)酵法高效合成血紅蛋白。
以合成生物生產(chǎn)替代蛋白的另一推動力是對環(huán)境的友好。首先，微生物對氮、磷和其他營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率顯著高于植物，減少人工施肥下氮磷流失對環(huán)境的影響。其次，微生物發(fā)酵能夠顯著減少土地和水的依賴，不直接與糧食作物競爭土壤和淡水資源，可以規(guī)模化合集約化生產(chǎn)。最后，傳統(tǒng)的牲畜飼養(yǎng)是溫室氣體甲烷排放的主要來源，以能量轉(zhuǎn)化角度來看，采用替代蛋白與傳統(tǒng)肉類相比可以減少 80% 以上的碳排放。
如今，我們已經(jīng)走到了食品變革的前夜，合成生物技術(shù)的發(fā)展，正在為無需植物、動物的食品生產(chǎn)開辟著全新的道路。
雖然在全球范圍內(nèi)，審批與監(jiān)管仍然嚴格，但戰(zhàn)略部署及政策支持也已經(jīng)凸顯。美國作為合成生物技術(shù)的先驅(qū)者，具有最活躍的市場和技術(shù)氛圍，是合成生物學(xué)全球最大的區(qū)域市場；英國較早就重視合成生物學(xué)發(fā)展；歐盟最早擬定合成生物學(xué)發(fā)展路線，促進其發(fā)展歐洲循環(huán)生物經(jīng)濟。
我國在2022 年，也提出“探索新型食品，實現(xiàn)食品工業(yè)化迭代升級，降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖環(huán)境資源壓力”， 2022 年轉(zhuǎn)基因來源的食品營養(yǎng)強化劑公開征求意見，展現(xiàn)出對合成生物技術(shù)主導(dǎo)的新食品的政策利好態(tài)勢。
可以預(yù)見，隨著合成生物學(xué)的應(yīng)用，未來傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)體系將被改革，生物農(nóng)藥、無動物的生物工程、奶和糖替代品、工程化啤酒、人造肉等都可以通過微生物反應(yīng)器生產(chǎn)。當然，在那之前，生物合成產(chǎn)品先要通過安全性的試驗。