2023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究

拓展食物边界合成生物推动新食品加速创新Chapter 1 技术驱动下的新食品合成生物学成为推动新食品发展的关键技术05Chapter 3 替代蛋白：未来食品的重要构成市场拐点取决于成本竞争力和消费者偏好16Chapter 4 食品添加：食品工业边界拓展低成本替代天然提取、高附加值新型产品开发21Chapter 5 微藻：极具潜能的植物基新食品经济性和环境友好的细胞工厂2947展望48版权说明导语03Chapter 2 新食品全球政策环境全球政策利好进一步加强402023合成生物学在食品微生物制造中的应用与前景研究导语：合成生物推动新食品加速创新3自1953年沃森和克里克解密DNA双螺旋结构后，人类进入到了基因时代；1976年基因测序方法问世；2000年人类基因图谱绘制完成，对基因组的研究进一步深入，从此开启合成生物学的新纪元。生物学的研究已经由定性描述发展为定量描述，直至今天的生命创造。合成生物学旨在通过设计和构建人工的生物系统，在基因组学、代谢组学、生物信息学等基础生物学认知之上，对生物系统进行标准化、解耦和抽提。合成生物学的研究和操作对象可以是某一个基因、代谢通路、细胞、多细胞乃至生物个体，也可以是利用生物学原理的体系如分子芯片、生物传感器等。识别和定义生物学元件使之标准化为确定的输入输出关系，将其在复杂的生物学功能中解耦为简单的要素，再抽提要素建立关系使之构建为可调用的模块化部件，最终通过各类部件实现目标功能。借助工程化思维，可以构建基因电路、基因组人工合成、理性设计细胞网络。在应用层面，合成生物学作为一种生物制造生产方式，随着技术的发展，其产业已覆盖医药制造、化工生产、创新能源、新材料、食品、农业等多个行业，在食品领域也不断取得引人注目的研究成果，如血红蛋白、母乳中关键成分2’-岩藻糖基乳糖，以及乳铁蛋白的合成等。2021年12月29日农业农村部印发《“十四五”全国农业农村科技发展规划》，明确“突破合成生物技术，构建高效细胞工厂和人工合成生物体系”，发展未来食品制造的“合成蛋奶油、功能重组蛋白等营养型食品的培养和制造技术”。2022年5月10日国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，是中国首部生物经济五年规划，确定了生物导语：合成生物推动新食品加速创新4经济发展的具体任务，明确提出“发展合成生物学技术，探索研发‘人造蛋白’等新型食品，实现食品工业迭代升级，降低传统养殖业带来的环境资源压力。”2022年10月16日，党的二十大报告中提出“树立大食物观”、“构建多元化食物供给体系”，推动包括生物技术在内的战略性新兴产业发展，构建新的增长引擎。“大食物观”拓展了传统的食物边界，“新食品”应运而生。从生命活动角度看，能量是生物体运转的保障，食物即能量的来源，要从耕地资源生产食物，转变为全方位、多途径开发食物资源，向植物、动物、微生物等要热量要蛋白。创新蛋白来源、食品原料和食品工业配料，开发用于食品生产的细胞工厂，以科技手段赋能食品产业，拓展食品边界，运用新技术将更多的生产场景引入食品领域，成为“新食品”的关键推动力。以合成生物学为技术革新的源头，带动一系列产业变革。以构建细胞工厂为主要思路，涉及基因工程、代谢工程、蛋白质工程等一系列生物技术，是生物食品产业中最前沿与最活跃的领域。配合下游发酵技术、分离纯化技术等科学方法，是把理论研究发现转化为实际产品、生产过程和系统服务的全面产业，创造新的生产模式和经济形态。本报告选取合成生物技术在新食品中应用的典型场景，重点关注替代蛋白、食品添加剂与食品原料的创新；同时，微藻作为新兴的植物基食品，亦可作为合成生物的底盘细胞，本报告也将关注其应用与发展潜力。5技术驱动下的新食品——合成生物学成为推动新食品发展的关键技术Chapter 1合成生物学：构建高效表达的细胞工厂•分子水平理性构建细胞•合成生物为食品生产带来新方法精密发酵：生产放大的必经之路•原料与设备，决定生产成本的两个关键项•发酵革新，向理性设计迈进分离纯化：高效率获得目标产物技术与商业化成熟度•食品成为全球合成生物市场重要增长极•市场、政策双推动，新食品赛道走向下半场•价值链各环节极具潜力的研发方向合成生物学：构建高效表达的细胞工厂6关键技术时间概述生物开关和振荡模型2000年利用生物基因元件在大肠杆菌中构建逻辑（门）线路，将工程科学的研究理念引入生命科学领域青蒿素前体生物合成2003年在大肠杆菌底盘细胞中，采用异源基因元件，成功合成青蒿素前体，展示了合成生物技术提升代谢工程能力的巨大应用前景氨基酸代谢生物燃料2008年通过改变大肠杆菌氨基酸生物合成途径，生产出生物原料异丁醇原核生物基因组合成2010年第一个完全由合成基因组构成的丝状支原体原核生物CRISPR-Cas92012年利用CRISPR-Cas9技术对目标DNA剪切，从而达到基因编辑的目的，成为基因编辑手段的里程碑真核生物染色体合成2014年首次组装起真核生物合成染色体，并在酵母细胞内正常发挥功能人工合成最小细菌2016年构建出只有473个基因的原核生物大麻素合成2019年首次在酵母菌中合成大麻素及其相关衍生物CO2人工合成淀粉2021年首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成表1丨2000-2022年合成生物学研究代表性进展（来源：公开资料、DeepTech）1900年孟德尔遗传规律的重新发现标志着遗传学的诞生，1953年DNA分子双螺旋结构模型的建立标志着对生命的研究进入基因时代，2000年具有“逻辑线路”的基因元件在大肠杆菌细胞中被构建，生命科学的发展从此进入合成生物学时代，一场跨越百年的生物学革命，带领人类迅速由“观测和描述”进入“创造”阶段。即使人类对生命的本质认识还远远不够，仍然抵挡不住生命科学的工程化进程，合成生物学为生命科学研究提供了可定量、可计算、可预测的全新方法论，为人类社会发展的重大问题提供了全新的生物学解决方案。2004年《麻省理工科技评论》将合成生物学评为当年十大突破性技术之一，下表梳理了2000-2022年合成生物学研究代表性进展。7合成生物学在分子水平上对生命系统开展了重新设计和改造，形成了三大技术领域的分支，分别是“基因电路”、“基因组人工合成”、“理性设计细胞工厂”。合成生物学实现了理论方法和应用实践螺旋上升的态势，基因电路的研究建立模块化工具库，特别是基因编辑技术的突破，空前加快了细胞代谢网络调控，工程应用的提升扩大了合成生物学的研究领域；面对生命科学的复杂问题，积极引进AI等数字化技术，建立结构化和抽象化的科研，提升研究效率，赋能产业化。分子水平理性构建细胞图1丨合成生物三大技术领域（来源：公开资料、DeepTech）基因电路• 构建细胞控制系统，使细胞进入多种稳定状态• 模拟生物发育过程信号进而调控细胞• 积累模块化基因元件• 生物开关、逻辑门、振荡模型等突破性技术02基因组人工合成• 构建更小的生物基因组• 建立高度可控和可预测的生物细胞• 取得了原核生物基因组合成、真核生物染色体合成等成果0103理性设计细胞工厂• 改造和转移一系列基因，理性设计人工生物体系• 代谢网络调控，实现天然产物的从头合成• 代表成果有青蒿素前体生物合成、氨基酸代谢生物燃料、大麻素合成、CO2人工合成淀粉等合成生物为