科學通報 | 吳信團隊綜述單細胞蛋白生物制造的研究進展

近日，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所，低碳合成工程生物學全國重點實驗室吳信團隊在《科學通報》發(fā)表了題為“單細胞蛋白生物創(chuàng)制策略”的綜述。文章系統(tǒng)評述了單細胞蛋白（single cell protein，SCP）的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，包括酵母、細菌和藻類作為“工廠”生產(chǎn)SCP在底物選擇及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)上的差異，以及對于保障國家糧食安全、踐行“大食物觀”、推動新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展及構(gòu)建可持續(xù)的全球食品系統(tǒng)具有重大意義。

圖 1 SCP 在食品和飼料工業(yè)生產(chǎn)中的應用

蛋白質(zhì)作為生命的物質(zhì)基礎，是機體細胞、組織和器官的重要組成成分，對于人類和動物的生長發(fā)育至關重要。SCP以其高效生產(chǎn)、低土地依賴及可調(diào)控營養(yǎng)成分為突破方向，為應對全球蛋白質(zhì)需求增長和人畜爭糧問題提供了一個可持續(xù)性的替代方案。SCP工業(yè)生產(chǎn)的核心在于選擇合適的菌株，藻類、細菌和酵母微生物具有不同的細胞組成、生理特征和能量需求，這使得它們在SCP生產(chǎn)中具有多樣化的應用途徑。此外，因為工業(yè)微生物可以是光合作用或化學自養(yǎng)生物、甲基營養(yǎng)生物、異養(yǎng)生物和混合營養(yǎng)生物，需要根據(jù)不同的待轉(zhuǎn)化原料來選擇適合于菌株的培養(yǎng)模式。此外，SCP產(chǎn)品的安全性是其食品與飼料應用獲批的核心前提，許多SCP中高核酸含量（占干重15%–16%）引發(fā)的健康風險顯著制約了市場接受度。

成本是制約SCP廣泛應用的主要因素，通過糧食來源的碳源生產(chǎn)SCP仍然無法擺脫對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的依賴，且成本難以與傳統(tǒng)大豆蛋白粉相競爭。利用甲醇和污水等工業(yè)產(chǎn)物生產(chǎn)SCP，在應對與糧食安全、資源稀缺和環(huán)境可持續(xù)性相關的全球挑戰(zhàn)方面具有巨大潛力。本團隊實現(xiàn)了畢赤酵母底盤在“內(nèi)驅(qū)力”作用下的代謝流重新編程，從而提高了工業(yè)菌株對畢赤酵母甲醇的耐受性和代謝效率，顯著增強了甲醇-蛋白代謝流的定向轉(zhuǎn)化，提高了碳氮協(xié)同轉(zhuǎn)化效率并降低碳損失，從而實現(xiàn)了以甲醇為碳源的SCP的高效轉(zhuǎn)化。

未來SCP的規(guī)模化生產(chǎn)仍面臨若干挑戰(zhàn)，包括微生物菌株在工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性和代謝負擔、部分菌種核酸含量過高可能導致的生理負擔，以及用于人類消費的SCP產(chǎn)品風味和質(zhì)構(gòu)問題。隨著合成生物學技術的發(fā)展，菌株的魯棒性將得到顯著的提升，有利于耐受并轉(zhuǎn)化不同的底物，同時定向合成功能性次級代謝產(chǎn)物。人工智能技術的賦能，可以定向設計發(fā)酵菌株的代謝路徑，優(yōu)化發(fā)酵工藝，進一步提升SCP的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過解決上述挑戰(zhàn)，先進的SCP技術有望重塑全球食品系統(tǒng)，彌合循環(huán)碳經(jīng)濟與營養(yǎng)安全之間的差距。以CO2、甲醇、甲酸等一碳原料和多種工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物作為碳源生產(chǎn)的SCP有助于緩解我國蛋白營養(yǎng)資源短缺現(xiàn)狀，同時減少資源浪費，和傳統(tǒng)工農(nóng)業(yè)形成的互相促進的形式。作為一種可持續(xù)的蛋白質(zhì)來源，SCP必將在滿足全球不斷增長的蛋白質(zhì)需求、減緩氣候變化以及促進資源循環(huán)利用方面發(fā)揮越來越重要的作用。

中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所吳信研究員為論文第一作者，高樂研究員為論文通訊作者。相關研究受到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDC0110304），天津市科技計劃項目(Grant No.23YFYSHZ00140) 和四川省科技成果轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移示范項目(2024ZHCG0108)資助。

文章信息

吳信，吳凡，張哲瑞，等.單細胞蛋白的生物創(chuàng)制策略. 科學通報, 2025.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5387.

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