幾十年來，已有大量的研究證明，牲畜在飼養(yǎng)過程中會排放大量溫室氣體。以畜牧業(yè)為代表，相關(guān)食品及其產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成為了影響全球環(huán)境的噩夢，對生態(tài)系統(tǒng)的影響相當廣泛。

此前，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界資源研究所統(tǒng)計，包含養(yǎng)牛在內(nèi)的畜牧業(yè)，所產(chǎn)生的碳排放約占全球總排放量的近 15%;而全部交通工具產(chǎn)生的二氧化碳量不過占 24%。2018 年，Science 雜志曾發(fā)表過一篇報告，稱食物及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈 “貢獻” 了全球 26% 的溫室氣體排放。

為了有效降低食品碳足跡，并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的食品制造技術(shù)。來自哈佛大學 Wyss 研究所的科學家們開始了新的嘗試。他們利用微生物發(fā)酵建立更加環(huán)保的食品制造工藝。該技術(shù)將利用二氧化碳作為發(fā)酵原料生產(chǎn)各類生物制品，其首個產(chǎn)品目標將是用二氧化碳合成食用級脂肪。食用脂肪是人可直接食用或烹調(diào)的油脂，比如豆油、花生油、橄欖油、羊油、奶油等等。

精確發(fā)酵技術(shù)為食品增添 “風味”

在 “碳循環(huán)”、“碳固定” 技術(shù)日新月異的今天，諸如 LanzaTech、Cemvita、Carbon Recycling International 等公司早已將 “氣體發(fā)酵” 標簽送上熱搜。

長期以來，受到面包、啤酒制作等傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的啟發(fā)，利用各類微生物快速、有效地進行大規(guī)模生物質(zhì)合成已經(jīng)是老生常談的話題。

近年來，搭乘越飛越高的合成生物學航班，使用各種經(jīng)過改造的微生物作為 “細胞工廠” 的精確發(fā)酵產(chǎn)業(yè)正在逐漸興起。已有越來越多的生物科技公司涌入該領(lǐng)域，以解決畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的碳排放問題為首要目標，該類公司制造產(chǎn)品以蛋白質(zhì)、脂肪為主，在應(yīng)用端則涉及到人造肉類、乳業(yè)及相關(guān)的調(diào)味品等。

如果蛋白質(zhì)是制作食品的基礎(chǔ)原料，那么脂肪則為食物增添 “風味”。具體到合成脂肪相關(guān)領(lǐng)域，除了微生物發(fā)酵技術(shù)正在辛勤勞作之外，包括 Hoxton Farms 等基于細胞合成法制造脂肪和肉類的合成生物學公司也在瓜分合成脂肪領(lǐng)域的蛋糕。

(來源：生輝整理)

目前，這些初創(chuàng)公司逐漸開始獲得投資市場的關(guān)注。其中，奶酪商人 Change foods 的總?cè)谫Y額達到了 310 萬美元，而關(guān)注植物性脂肪的 Nourish Ingredients 則獲得了總計 1440 萬美元的融資。

當前情況下，無論是使用發(fā)酵微生物還是培養(yǎng)細胞，各種商用工程微生物的制造過程普遍需要添加淀粉、糖或纖維素作為食物來源以便生產(chǎn)乙醇或乳酸，繼而進行后續(xù)的合成反應(yīng)。

雖然朝著正確的方向邁出了一步，但基于糖類的發(fā)酵技術(shù)又將為種植業(yè)帶來壓力，在全球范圍內(nèi)并不具有普適性?？偟膩碚f，這些公司并沒有打通反應(yīng)鏈條的上游。

具備個性化生產(chǎn)功能的共生菌群

今年 5 月，分拆自 Wyss 研究所的 Circe Bioscience Inc.(以下簡稱 Circe)在特拉華州注冊成立，該公司的首個目標將是使用工程微生物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為食品級脂肪。

這家初創(chuàng)企業(yè)源自于 Wyss 研究所的 Circe 項目，意為 “細胞工廠的循環(huán)產(chǎn)業(yè)”。兩名來自于哈佛大學 Wyss 研究所的科學家 Shannon Nangle 和 Marika Ziesack 成為了共同創(chuàng)始人。

在她們的項目中，鉤蟲貪銅菌 Cupriavidus necator(以下簡稱 C. necator，此前稱作 Ralstonia eutropha)成為了打通生產(chǎn)鏈條的 “合成密碼”。

大約 60 年前，該類別的典型菌種 C. necator H16 自土壤中被分離出來。自那之后， 它就成為了研究最多、基因組特征最好的化能自養(yǎng)菌。在過去的幾十年中，C. necator 已經(jīng)以合成聚羥基鏈烷酸酯(PHA，Poly-hydroxyalkanoates)項目成為了熱門研究對象。

與植物類似，該類細菌基于卡爾文循環(huán)途徑固碳，其能夠利用氫氣作為電子供體，將二氧化碳還原為有機物。近年來，該細菌作為固碳平臺 “潛力股”，受到了研究人員的青睞。

2020 年，Circe 項目組基于改造的 C. necator 和大腸桿菌等設(shè)計了“共生菌群”培養(yǎng)模式，通過固定二氧化碳生產(chǎn)出三種主要產(chǎn)品：蔗糖，PHA 和脂殼聚寡糖(LCOs，lipochitooligosaccharides)。

以步驟間的產(chǎn)物功能劃分，該技術(shù)主要分為兩個試驗部分：

第一部分，使用 “共生菌群” 固定二氧化碳，提高產(chǎn)量的同時，其產(chǎn)物蔗糖能夠作為異養(yǎng)菌種的飼料;

第二部分，基于改造菌種的發(fā)酵過程制造所需產(chǎn)品。

首先，通過表達藍藻相關(guān)的蔗糖合成酶類構(gòu)建代謝通路，研究團隊設(shè)計了基于大腸桿菌與 C. necator 的共生系統(tǒng)從而提高蔗糖產(chǎn)量。

隨后，研究團隊針對 PHA 的生產(chǎn)工藝進行設(shè)計，通過組合不同的硫酯酶和 PHA 合成酶選擇性地改變產(chǎn)品組成，以便直接從二氧化碳中生產(chǎn)共聚物。此外，研究團隊還設(shè)計了 C. necator 使用二氧化碳生產(chǎn) LCOs 的路徑，該化合物是一種植物生長促進劑。

圖丨基于工程化 C. necator 的代謝通路(來源：Metabolic Engineering)

通過比較數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，共生菌落系統(tǒng)所獲蔗糖產(chǎn)量是單獨 C. necator 培育系統(tǒng)產(chǎn)量的 2~3 倍;與野生型菌株產(chǎn)量相比則提高至 30 倍。研究者猜測，該結(jié)果可能是由于異養(yǎng)菌種的熱力學能被自養(yǎng)菌群有效利用導致的。

在第一部分試驗的最后，研究團隊利用共生菌落中的大腸桿菌成功制造出了紫羅蘭素和胡蘿卜素。這將為實現(xiàn)更長遠的生產(chǎn)目標打下基礎(chǔ)。

除此之外，經(jīng)過通路改造，PHA 產(chǎn)量也進一步提高，根據(jù)產(chǎn)物組成的不同其產(chǎn)物細胞干重比由此前的個位數(shù)提升至 30~60%。而生產(chǎn)的 LCOs 滴度則為 1.4 mg/L，相當于其天然來源慢生根瘤菌的產(chǎn)量。研究團隊將所獲得 LCOs 應(yīng)用于發(fā)芽種子和玉米植物，觀察到了各種生長參數(shù)的增加。

在研究過程中，基于 PHA 合成通路產(chǎn)生的游離脂肪酸吸引了研究團隊的注意。其價值在于，利用能夠表達不同酶類的改造菌種，將能夠合成特定的各種鏈長的脂肪酸分子。

而通過使用短鏈、中鏈、長鏈等不同的脂肪酸分子，Circe 將能夠分別模仿制造出不同類型與來源的脂肪分子，例如植物來源的可可脂、亞麻籽油抑或是動物來源的乳脂等等，然后用于配制成美味且對于氣候友好的食品。

這種能夠精確設(shè)計并制造的產(chǎn)物分子給予了 Circe 進軍食品業(yè)的信心。研究團隊表示，經(jīng)過適當?shù)脑O(shè)計改造，該類細菌具備在合適的生長條件下生產(chǎn)任何數(shù)量的各類產(chǎn)品。其潛在產(chǎn)品包括但不限于：各種鏈長的醇類、脂肪酸、烷烴、聚合物和氨基酸等。

“我們對于公司的設(shè)想是，按照市場的需要生產(chǎn)不同的脂肪。告訴我們你想要哪種脂肪，我們將設(shè)計微生物來制造那個分子。” 擔任公司首席執(zhí)行官的 Shannon Nangle 說道。目前，該公司已針對代謝途徑和過程等技術(shù)申請專利。

總體上看，該項研究不僅證明了其改造菌種用于生產(chǎn)的多功能性，同時探索了自二氧化碳到最終產(chǎn)物的直鏈化生產(chǎn)。

當前階段，如何實現(xiàn)高效，低成本，可持續(xù)的糖原料供給，已經(jīng)成為生物能源與生物煉制發(fā)展的主要瓶頸問題。

通過基因編輯和代謝工程，Circe 構(gòu)建了更簡潔的代謝生產(chǎn)途徑。據(jù)介紹，該公司將首先推出可替代乳脂的甘油三酯(TAG)，另一個短期內(nèi)的生產(chǎn)目標則是 PHA，用于制造可生物降解的塑料包裝、紡織品和個人護理成分等。

在未來，其共生菌落生產(chǎn)系統(tǒng)或?qū)⒛軌蛞约兇?“自給自足” 的方式生產(chǎn)出更多的生物制品。

國內(nèi)高校研究屢獲進展，大規(guī)模生產(chǎn)待考驗

在我國，基于 C. necator 菌種的自養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)也受到了研究者的持續(xù)關(guān)注。

2018 年，來自天津大學化學工程與技術(shù)學院的宋浩等人，基于 C. necator H16 構(gòu)建微生物電合成(MES)反應(yīng)系統(tǒng)，以提高聚 - 3 - 羥基丁酸酯的產(chǎn)量。

2019 年，中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的畢昌昊團隊，構(gòu)建了以 C. necator 菌合成脂肪酸的生物途徑，其研究獲得了中科院重點部署 “二氧化碳人工生物轉(zhuǎn)化” 項目的支持。2020 年，該團隊又通過改造菌種，以提高聚羥基丁酸酯的產(chǎn)量。

毋庸置疑的是，推廣并使用基于發(fā)酵技術(shù)的生物制品將有利于減少畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的資源、土地和能源消耗。此外，“碳固定” 技術(shù)風頭正盛。無論是出于日益嚴峻的環(huán)境問題考慮，還是從全球各國紛紛推出的相關(guān)利好政策來看，這一領(lǐng)域都將變得更加火熱。

而對于消費者來說，現(xiàn)階段生物合成食品的風險尚不明確。不過，基于發(fā)酵合成的理論來看，該類食品能夠保證充足的蛋白質(zhì)、營養(yǎng)成分和美妙風味，其在膽固醇、激素和抗生素等成分的控制方面也將存在明顯優(yōu)勢。在未來，老年人、過敏人群以及素食主義者或?qū)⒛軌蚋鶕?jù)需求選擇該類個性化商品。

在此之前，Circe 將首先致力于解決擴大生產(chǎn)規(guī)模的問題。

同大多數(shù)研究一樣，Circe 的發(fā)酵過程誕生于一個實驗室的燒瓶中，到目前為止，該流程的生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)升級到容量為 10 升的發(fā)酵罐中。

對此，專注于生物催化與合成生物學方法研究的弈柯萊生物科技創(chuàng)始人羅煜博士表示，Circe 在從技術(shù)走向生產(chǎn)的過程中，反應(yīng)系統(tǒng)的安全性、合理培養(yǎng)并控制大量的微生物及其代謝產(chǎn)物將成為重要課題。

由于 C. necator 的生產(chǎn)環(huán)境需要穩(wěn)定、嚴格配比的二氧化碳、氫氣和空氣，而在裝置擴容后，由氫氣導致的爆炸風險將成為首個限制因素。

另外，發(fā)酵菌體能夠允許的存活密度和生長周期也是難點所在。雖然共生菌落系統(tǒng)表現(xiàn)出同時利于兩種菌體的優(yōu)勢，但用于工業(yè)化生產(chǎn)之中，微生物的生長密度和存活期將涉及到成本問題。而野生型 C. necator 的生長周期本身較長。

最后，多個菌種協(xié)同生產(chǎn)雖然在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，但隨之而來的問題還包括更復雜的中間產(chǎn)物，以及在代謝產(chǎn)物不斷積累的情況下能否實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。包括后續(xù)可能會有更加復雜的分離純化步驟，這些都將與成本問題息息相關(guān)，也是目前該類技術(shù)在工業(yè)方面應(yīng)用受限的主要原因。

不過，羅煜也表示，基于微生物發(fā)酵技術(shù)能夠直接合成與天然的動植物產(chǎn)品相同的分子，該技術(shù)在近年來屢獲突破。不管是在合成效率還是合成范圍方面都有可喜進展。此外，國家政策長期 “偏愛” 可持續(xù)發(fā)展技術(shù)企業(yè)，合成食品在符合相關(guān)法規(guī)和標準的要求之下，將具有很大的市場需求和發(fā)展空間。

“如果不能擴大規(guī)模，它就沒有什么價值。"Circe 的首席科學官 Marika Ziesack 表示，研究團隊的下一步計劃將是繼續(xù) 擴大反應(yīng)，最終形成能夠與二氧化碳供應(yīng)企業(yè)(例如各類高排放工廠)配合并直接飼養(yǎng)微生物的規(guī)模。

關(guān)鍵詞： 食用油 合成 二氧化碳 二氧化碳合成