二氧化碳合成食用油國(guó)內(nèi)外研究屢獲進(jìn)展但仍面臨大規(guī)模生產(chǎn)挑戰(zhàn)

幾十年來，已有大量的研究證明，牲畜在飼養(yǎng)過程中會(huì)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(mèng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響相當(dāng)廣泛。

此前，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界資源研究所統(tǒng)計(jì)，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，《科學(xué)》雜志曾發(fā)表過一篇報(bào)告，稱食物及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈“貢獻(xiàn)”了全球26%的溫室氣體排放。

為了有效降低食品碳足跡，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的食品制造技術(shù)。來自哈佛大學(xué)Wyss研究所的科學(xué)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(gè)產(chǎn)品目標(biāo)將是用二氧化碳合成食用級(jí)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(fēng)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(biāo)簽送上熱搜。

長(zhǎng)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(jìn)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(xué)航班，使用各種經(jīng)過改造的微生物作為“細(xì)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(biāo)，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(fēng)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(xì)胞合成法制造脂肪和肉類的合成生物學(xué)公司也在瓜分合成脂肪領(lǐng)域的蛋糕。

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

當(dāng)前情況下，無論是使用發(fā)酵微生物還是培養(yǎng)細(xì)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(jìn)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(gè)性化生產(chǎn)功能的共生菌群

2021年5月，分拆自Wyss研究所的Circe Bioscience Inc.（以下簡(jiǎn)稱Circe）在特拉華州注冊(cè)成立，該公司的首個(gè)目標(biāo)將是使用工程微生物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為食品級(jí)脂肪。

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

在她們的項(xiàng)目中， 鉤蟲貪銅菌Cupriavidus necator（以下簡(jiǎn)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項(xiàng)目成為了熱門研究對(duì)象。

與植物類似，該類細(xì)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(jī)物。近年來，該細(xì)菌作為固碳平臺(tái)“潛力股”，受到了研究人員的青睞。

2020年，Circe項(xiàng)目組基于改造的C.necator和大腸桿菌等設(shè)計(jì)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。

以步驟間的產(chǎn)物功能劃分，該技術(shù)主要分為兩個(gè)試驗(yàn)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(shí)，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(dá)藍(lán)藻相關(guān)的蔗糖合成酶類構(gòu)建代謝通路，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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。

基于工程化C. necator的代謝通路

隨后，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)PHA的生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)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(zhǎng)促進(jìn)劑。

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(dú)C. necator培育系統(tǒng)產(chǎn)量的2倍～3倍；與野生型菌株產(chǎn)量相比則提高至30倍。研究者猜測(cè)，該結(jié)果可能是由于異養(yǎng)菌種的熱力學(xué)能被自養(yǎng)菌群有效利用導(dǎo)致的。

在第一部分試驗(yàn)的最后，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)打下基礎(chǔ)。

除此之外，經(jīng)過通路改造，PHA產(chǎn)量也進(jìn)一步提高，根據(jù)產(chǎn)物組成的不同其產(chǎn)物細(xì)胞干重比由此前的個(gè)位數(shù)提升至30%～60%。而生產(chǎn)的LCOs滴度則為1.4mg/L，相當(dāng)于其天然來源慢生根瘤菌的產(chǎn)量。研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)的注意。其價(jià)值在于，利用能夠表達(dá)不同酶類的改造菌種，將能夠合成特定的各種鏈長(zhǎng)的脂肪酸分子。

而通過使用短鏈、中鏈、長(zhǎng)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(dòng)物來源的乳脂等等，然后用于配制成美味且對(duì)于氣候友好的食品。

這種能夠精確設(shè)計(jì)并制造的產(chǎn)物分子給予了Circe進(jìn)軍食品業(yè)的信心。研究團(tuán)隊(duì)表示，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改造，該類細(xì)菌具備在合適的生長(zhǎng)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(zhǎng)的醇類、脂肪酸、烷烴、聚合物和氨基酸等。

“我們對(duì)于公司的設(shè)想是，按照市場(chǎng)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(jì)微生物來制造那個(gè)分子。”擔(dān)任公司首席執(zhí)行官的Shannon Nangle說道。目前，該公司已針對(duì)代謝途徑和過程等技術(shù)申請(qǐng)專利。

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

當(dāng)前階段，如何實(shí)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(jiǎn)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(gè)短期內(nèi)的生產(chǎn)目標(biāo)則是PHA，用于制造可生物降解的塑料包裝、紡織品和個(gè)人護(hù)理成分等。

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

國(guó)內(nèi)高校研究屢獲進(jìn)展，大規(guī)模生產(chǎn)待考驗(yàn)

在我國(guó)，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(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)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(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的畢昌昊團(tuán)隊(duì)，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(diǎn)部署“二氧化碳人工生物轉(zhuǎn)化”項(xiàng)目的支持。2020年，該團(tuán)隊(duì)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(fēng)頭正盛。無論是出于日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題考慮，還是從全球各國(guó)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(duì)于消費(fèi)者來說，現(xiàn)階段生物合成食品的風(fēng)險(xiǎn)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(yíng)養(yǎng)成分和美妙風(fēng)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(shì)。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(gè)性化商品。

在此之前，Circe將首先致力于解決擴(kuò)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(jí)到容量為10升的發(fā)酵罐中。

對(duì)此，專注于生物催化與合成生物學(xué)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(yán)格配比的二氧化碳、氫氣和空氣，而在裝置擴(kuò)容后，由氫氣導(dǎo)致的爆炸風(fēng)險(xiǎn)將成為首個(gè)限制因素。

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

最后，多個(gè)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(fù)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(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。包括后續(xù)可能會(huì)有更加復(fù)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(dòng)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(jìn)展。此外，國(guó)家政策長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)的要求之下，將具有很大的市場(chǎng)需求和發(fā)展空間。

“如果不能擴(kuò)大規(guī)模，它就沒有什么價(jià)值?！盋irce的首席科學(xué)官M(fèi)arika Ziesack表示，研究團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃將是繼續(xù)擴(kuò)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。