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合成生物學助力糧食及多元食品可持續生產

2022 年 10 月 16 日是第 42 個世界糧食日 (World Food Day)，聯合國糧食及農業組織 (FAO) 將 2022 年的全球活動主題確定爲：「不讓任何人掉隊。更好生產、更好營養、更好環境、更好生活。」據 FAO 今年最新報告顯示，全球仍有三分之一的人口面臨着糧食不穩定，且有超過 30 億人口（約佔全球總人口的 40%）無力負擔健康的膳食。

在世界人口不斷增長、疫情、氣候變化和戰爭等多重危機之下，世界糧食系統面臨着巨大壓力。蓋茨基金會稱，如若不採取行動，預計從現在到 2030 年，僅非洲地區就將增加 3200 萬飢餓人口。然而，在過去幾年中，主要作物的產量增長率已經趨於平穩，增加可耕地的可能性有限。在這種情況下，人們迫切需要找到一種快速且可持續的方法，在有限的可耕地上生產更多的農產品、提高農產品的營養價值，以確保未來的糧食安全。

圖源：聯合國糧食及農業組織

隨着基因組學革命和系統生物學的不斷髮展，合成生物學得以興起，研究人員可以使用分子生物學工具和技術來推動細胞行爲的工程化。現如今，合成生物學已經在能源、化學工業、醫藥、食品、環境以及農業等領域取得了進展，也爲應對世界性危機提供瞭解決方案。

在農業領域，通過改造代謝途徑、遺傳回路或者生物體結構，研究人員可以提高農作物的產量。同時，可持續農業是合成生物學應用的另一方向，例如通過改造微生物來進行生物施肥或者生物控制等。在傳統農業之外，合成生物學技術還能夠通過其他途徑生產營養物質及食品，如利用二氧化碳在無細胞系統中合成澱粉、利用細胞培養生產人造肉等等。

通過合成生物學手段提高農作物產量

近年來，基因組學技術不斷髮展，合成生物學家可以通過基因編輯等方法提高農作物的產量。基因編輯技術的應用對象可以是農作物本身，常見的路徑有：通過改造加快農作物馴化和育種的速度、使其獲得更高效的能源利用率、對不良環境有更高的抗性等。

過去，農作物的馴化主要依靠自然變異，根據考古觀察，這一過程可能需要幾千年的時間，而使用合成生物學手段可以大大加快馴化過程。中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋團隊利用基因編輯技術構建了異源四倍體野生稻的快速從頭馴化策略，可以顯著提高糧食產量，增加作物對環境變化的適應性，爲作物育種開闢了新的方向。

通過合成生物學手段提高農作物抗逆性，也是提高農作物產量的一種方式。中科院遺傳發育所的高彩霞團隊是基因編輯在植物與農業應用領域的先驅之一，該團隊多次將引導編輯 (Prime editing)、鹼基編輯 (Base editing) 等工具用於植物的基因編輯，提高農作物的抗除草劑等性能，從而實現增產目標。中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣團隊與上海交通大學林尤舜團隊將高溫抗性強的非洲栽培稻 TT3 基因位點導入到亞洲栽培稻中，培育成了新的抗熱品系即近等基因系 NIL-TT3CG14，該品系在田間高溫條件下，可增產 20％。

圖源：Lin et al. Nat Biotechnol (2020)

另外，通過干預細胞代謝通路，提高光合作用效率，直接提升農作物產量。在光合作用中，大多數植物會通過卡爾文循環將吸收的二氧化碳轉化爲戊糖分子核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP)，其中最關鍵的酶是 RuBP 羧化酶 (Rubisco)。通過將其他來源的高效 Rubisco 酶工程化到農作物中可以提高光合作用的效率。除了直接提高酶的活性外，引入碳濃縮機制 (CCMs) 以增加 Rubisco 酶周圍的二氧化碳濃度是提高碳氧化效率的另一個有效途徑。此外，合成生物學家還可以設計新的碳氧化途徑，來提高植物光合作用的效果，比如德國馬克斯-普朗克研究所 Tobias Erb 團隊利用巴豆酰-輔酶 A (CoA)/乙基丙二酸-CoA/羥基丁酰-CoA (CETCH) 循環，在體外進行二氧化碳氧化。該團隊進一步將 CETCH 循環封裝在細胞大小的液滴中，使用微流體作爲葉綠體的模擬物來創造一個人工光合作用系統。

合成生物學在農業中的另一個重要應用領域是改善生物氮氧化途徑，提高作物對氮源的利用率。與光合作用的改進類似，將異源氮氧化基因簇 nif 移植到植物中是最直接的選擇。

合成生物學在農業中應用的示例，圖源：Wang et al. Advanced Agrochem (2022)

基因編輯技術的應用對象除了農作物本身，還可以是與植物共生的微生物。傳統的研究着眼於植物生長促進根瘤菌 (PGPRs) ，但是，PGPRs 難以和植物生長環境中的本地微生物羣落共生。爲解決這一問題，研究人員引入能夠與植物穩定共存的、具有促進植物生長特性的菌株，並通過改造使這些菌株發揮與 PGPRs 相同的作用。比如麻省理工學院 Christopher Voigt 團隊使用穀物內生菌株 Rhizobium sp. IRBG74 作爲底盤細胞，通過引入類球紅細菌 (Rhodobacter sphaeroides) 和產酸克雷伯氏菌 (Klebsiella oxytoca) 的重組基因簇來賦予底盤細胞氮素酶活性。PGPRs、固氮菌、關節桿菌根真菌 (AMF) 和外生菌根真菌 (EMF) 等土壤微生物可以恢復退化的土地，改善土壤的水力特性，利用改造後的土壤菌羣可以修復病害土壤並抵禦植物病原體的攻擊。

此外，研究人員還可以利用生物體，如細菌和酵母底盤細胞進行材料加工和合成，從而用生物農藥取代傳統的化學合成農藥，改變農藥等農業化學品的生產模式等等。

合成生物學在農業領域的產業轉化

農業作爲世界性的重要議題，不僅受到了學術界的關注，在產業界中也有許多以企業爲主體、專注於利用合成生物學技術促進農業發展的嘗試。根據美國知名合成生物學媒體 SynBioBeta 統計， 2021 年歐美等國農業相關的合成生物學初創企業共完成了約 10 億美元的融資。以致力於用生物氮肥取代化學合成氮肥的 Pivot Bio 爲例，該公司研發的微生物可從空氣中固定氮以供植物使用。目前 Pivot Bio 已經完成了 D 輪融資，並相繼推出了針對玉米、小麥、高粱的商業產品。

圖源：Pivot Bio

值得一提的是，拜耳旗下的 Bayer CropScience 與合成生物學獨角獸企業 Ginkgo Bioworks 兩家企業也在積極研發農業固氮微生物產品，爲此兩公司合資創立了新企業 Joyn Bio。此外，Inari Agriculture 等企業也在運用 CRISPR 等基因編輯技術提高育種速度和農作物的產量。

國內也有許多合成生物學相關企業致力於在農業領域進行專業轉化，如農業基因組與產業化服務企業康普森生物，該公司將數據科學、合成生物學、基因組學、食品科學等技術相結合，構建了國內主要農作物與畜禽的遺傳多樣性平臺「Daxiang BreedingOS」等等。

利用合成生物學可持續地生產食品

利用合成生物學技術提高農作物的產量，本質上還是遵循「利用作物生產相應農產品」的方式；然而合成生物學的變革性力量不止於此，更體現在通過非傳統農業的方式來生產食品。近年最具代表性的研究當屬中科院天津工業生物技術研究所馬延和團隊通過設計人工澱粉合成代謝通路，實現了在無細胞系統中利用二氧化碳和氫氣合成人造澱粉。按照目前數據分析，理論上 1 立方米大小的無細胞系統生物反應器年產澱粉量相當於我國 5 畝玉米地的年產澱粉量。

在糧食生產之外，合成生物學在食品領域的應用更加多元和廣泛。根據 SynBioBeta 的數據，歐美等國食品行業的合成生物學企業在 2021 年完成了近 40 億美元的融資，其中較爲知名的 Impossible Food 和 Beyond Meat 兩家公司致力於通過生產人造肉來推動全球食品的可持續發展。Beyond Meat 在招股書中提到，生產人造肉與動物來源的肉相比具有巨大的環境優勢，能減少 90% 溫室氣體排放，減少 99% 的用水，減少 93% 的土地資源使用，減少 46% 的能源消耗，並解決動物福利問題。

圖源：Impossible Food

目前主要的人造肉生產方式有兩種：一是利用植物基原料生產植物肉，二是利用細胞培養生產細胞培植肉，對應了兩種常見的合成生物學在食品領域的應用模式。

第一種模式是利用植物基生產高營養價值的食品，如蛋白產品、脂肪產品等。以色列初創公司 PoLoPo 是應用這種生產模式的典例，該公司利用土豆來代替母雞，從而生產卵清蛋白；無獨有偶，另一家來自於以色列的公司 Pigmentum 則致力於利用生菜生產乳製品蛋白。

第二種模式則是利用細胞來生產食品。當前的細胞培植肉在成本和可培養規模上仍面臨着許多挑戰，因此發酵基蛋白目前也正在得到更多的關注，這種方法主要以微生物發酵來生產大量的蛋白質，將發酵生產的蛋白質與其他成分混合，製造出替代食品。如利用絲狀菌進行發酵的英國無肉品牌 Quorn，以及國內的利用生物質發酵和精密發酵開發食用蛋白以的藍佳生物等。

除了生產高營養價值的食品外，合成生物學還可以用來減少食品生產中的碳排放。已如上述，與生產動物來源的肉相比，生產人造肉能減少 90% 溫室氣體排放。另外，在傳統的啤酒釀造中，啤酒的風味依賴於啤酒花的香氣，而無酒精啤酒則缺失這種風味，並且集約化種植的啤酒花在種植過程需要消耗大量水，運輸及加工過程還會排放大量二氧化碳。對此，丹麥的合成生物學初創公司 EvodiaBio 利用工程化改造的酵母生產啤酒花的香氣分子，製造出不含酒精但風味不變的啤酒，大大了減少生產過程中的碳排放和耗水量。

圖源：Cultura RM / Alamy Stock Photo

展望

糧食危機是當前全人類所必須面臨的重要問題。今年九月份，我國豆粕行情暴漲給飼料養殖企業造成巨大壓力，也給國家帶來了繁重的動物產品穩產保供任務，以及越來越緊的資源環境制約。因此，9 月 19 日，農業農村部部署全面推進豆粕減量替代行動，提倡「提效、開源、增草，從供需兩端同時發力，多措並舉促節糧」。當前，而合成生物學在當前已經顯示出了可以緩解糧食危機的潛力。

目前，合成生物學在農業及食品領域的應用成爲了大國關注的焦點之一。在今年 9 月 12 日由美國總統拜登簽署的《關於推進生物技術和生物製造創新以實現可持續、安全和可靠的美國生物經濟的行政命令》中，美國政府明確指出需要改善糧食安全並推動農業創新；而在我國的《“十四五”生物經濟發展規劃》中，國家發改委也提出了「順應“解決溫飽”轉向“營養多元”的新趨勢，發展面向農業現代化的生物農業，滿足人民羣衆對食品消費更高層次的新期待」的目標。我們有理由相信，隨着生物經濟的高速發展，未來合成生物學在農業中的應用將得到更多的政策支持。

此外，國內外的合成生物學領軍企業，如 Ginkgo Bioworks 和藍晶微生物等也已在農業和食品領域開展了相應的佈局。希望在不久的將來，我們可以看到合成生物學爲世界人民的糧食危機做出突破性的貢獻。

免責聲明：本文轉自再創丨Regenesis，原作者胡安。文章內容系原作者個人觀點，本公衆號編譯/轉載僅爲分享、傳達不同觀點，如有任何異議，歡迎聯繫我們！

轉自丨再創丨Regenesis

作者丨胡安

編輯丨鄭實

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