未来食品原料可期——合成生物学

　　去年9月，中科院团队获得二氧化碳人工合成淀粉的重大突破。这一颠覆传统农业种植模式的重大变革引发巨大关注的同时，也将合成生物学推到世人面前。中国合成生物学最早发起人之一，赵国屏院士这样解释：合成生物学区别于其他传统生命科学（如基因科学、微生物学、生物化学等）的核心是其工程学本质——合成生物学最主要的任务，是按人们的需求，设计出相应的“产品”。近些年，从原材料到食品及其他产品，合成生物学市场正在快速崛起。据Synbiobeta发布的市场数据显示，2021年是合成生物学初创公司有史以来募集资金最多的一年，成为合成生物学市场发展的关键元年，总额接近180亿美元，其中第三季度以高达61亿美元的融资达到目前顶峰。

　　事实上，从2000年中国合成生物巨头上海凯赛生物技术有限公司成立，到2006年美国生物科技公司Amyris的青蒿素大获成功，再到2013年基因编辑技术CRISPR-Cas9的横空问世，直至2021年美国基因编程公司Ginkgo和美国合成生物科技初创公司Zymergen两大国外巨头相继上市，合成生物学已经经历了20多年跌宕起伏的发展，如今迎来全面爆发，也让食品营养健康行业产生了颠覆性的技术变革。

　　一方面，合成生物学能够利用微生物产生特定的食物分子，并生产动物性食品，如肉类、乳制品、脂肪等，这些生产过程不需动物参与，近些年大火的“人造”食品多属于此类，包括人造蛋白、人造肉、人造脂肪、人造奶等，解决未来人们面临的食物短缺问题。另一方面，合成生物学可以开发出高附加值的营养活性物质，包括甜叶菊、赤藓糖醇等。同时，这种技术能够实现营养成分的精确调配，满足特定消费群体的健康需求，在一定程度上匹配消费者对饮食的科学性和营养性的诉求。

合成生物学正在塑造未来食品形态

　　气候变化、人口增长、农业用地骤减等因素正在影响着人类的饮食，合成生物学制造的食品开始改变人们对食品的看法，并推动该领域的快速发展。在功能性食品领域，合成生物学具有不断增长的潜力，比如利用微生物，如酵母、细菌或酶发酵产生特定的食物分子，并生产动物性食品，如肉类、乳制品。

　　在具体的应用方面，合成生物学家首先通过识别负责某些所需品质的基因序列来改变食物，例如牛肉的牛肉味或糖的甜味，然后在实验室中进行化学再生，并被放置在酵母或细菌细胞中，最后通过发酵的形式产生这些蛋白质，这些蛋白质将作为食物或纤维成分应用在产品配方中。

　　对于具体原料而言，目前大多数生产方法都依赖于漫长种植周期和低产量提取过程，并且多数情况下植物中的活性化合物浓度比较低，导致整个市场价格较高。同时，由于原料容易受到气候环境和季节的影响，导致整个生产供应链稳定性不强。合成生物学技术的出现，对于原料的可持续性、供应链安全性、绿色环保等具有重要的作用。如合成香草现在已经占据了全球供应的85%，解决了一种主要在马达加斯加天然生产的香料长期以来的供应难题。

多家企业抢先加入“赛道”

　　从食品原料的开发到细胞培养肉再到替代蛋白，合成生物学在食品营养领域的应用在逐年增加。

　　虽然从出现到现在的20多年间，合成生物学一直被质疑能否真正以生物合成的方式产出可量产、具备成本优势的产品，但近两年随着技术的成熟，确实已经有一批原料真正实现了理论验证，包括长链二元酸、丙氨酸、母乳低聚糖、胶原蛋白、一三丙二醇等，以及人造肉等消费品。

　　2001年，凯赛生物开始投资建设生物法长链二元酸项目，使其成为世界上第一个用生物法取代化工法的材料单体。经过多年的发展，该公司已经能够生产从十碳到十八碳的各种链长二元酸。随着年产10万吨的生物基聚酰胺生产线于2021年中期投产，其重要储备产品生物基戊二胺和生物基聚酰胺开始销售，而其生物法长链二元酸产品的毛利率也在逐年上涨。

　　成立于2015年的美国Geltor公司则利用开发出的生物设计技术平台，通过生物学、医学和计算机科学等工具对微生物进行编程，产品是在受控、可持续的发酵过程中生产，不含任何动物成分。目前，该公司主推的原料是胶原蛋白，可应用在膳食补充剂、食品饮料等产品配方中。该公司开发的一种用于食品和饮料的高纯度生物活性素食胶原蛋白，含有丰富的甘氨酸和脯氨酸，2019年首次在市场上销售。目前含有该原料的食品饮料已经形成商业化生产规模，整个生产规模和效率获得提升。

　　另外，嘉必优生物技术（武汉）股份有限公司已经建立合成生物学实验室并启动一批具有技术前瞻性和市场潜力的研究项目。该公司正基于合成生物学平台加快母乳低聚糖、1,3-二油酸-2-棕榈酸甘油三酯、虾青素、番茄红素、γ-PGA、α-熊果苷等新产品的研发工作，以扩充整个产品线和产业链，为其新产品拓展开发提供有力支撑，夯实其在人类营养、动物营养和功能护理原料的地位。同时，该公司还对外开展合成生物学及其上下游产业技术的交流与合作，包括中科院、农科院、天津大学和浙江大学等，通过技术、产业及资本结合，希望成为全球合成生物学产业生态高地。

　　而安徽华恒生物科技股份有限公司则是我国乃至世界丙氨酸第一大供应商。关于生物法合成丙氨酸的产业化，从其产能利用率可见一斑：2017年至2020上半年，该公司丙氨酸产品产能利用率为71.94%、90.30%、97.00%、89.13%，持续保持稳健发展态势。

　　青岛芝诺生物科技有限公司与合肥一兮生物科技有限公司则专注于以合成生物技术生产母乳低聚糖，据透露，两家企业都已完成产品中试，预计可在近期实现量产。母乳低聚糖是母乳中固形物含量最高的三种物质之一，具有益生元作用，可以帮助婴儿建立起自己的免疫系统，其作为婴儿配方奶粉的添加剂已添加在进口奶粉中。

科技助力合成生物产品落地

　　据了解，从关键菌种的设计到优化，我国很多科学家和公司都在合成生物技术方面做了大量工作，未来会影响到生活的方方面面。其中，很多国家级的合成生物学重点专项和绿色生物制造重点专项，也都在支持这个领域的发展。如中科院植生所王勇团队就已经有新型天然甜味剂甜菊糖稀有组分Reb D、Reb M，甜茶素，新兽药及饲料添加剂黄芩素、新型糖尿病药物a-糖苷酶抑制剂I-1等多项基于合成生物学的原创性产品进入了产业化阶段。

　　一直以来，甜叶菊主要是从甜菊叶中提取，依赖于种植的甜菊原料需求量巨大。近10年来，甜菊提取物一直是出口额最大的植物提取物品种。但甜菊品质参差不齐、高品质组分含量低。为了获得高品质的甜菊糖苷，必须经过复杂的分离提取过程，去除口感不佳的组分。合成生物学的出现为从微生物中获取甜味剂带来了曙光。

　　谈起具体研发过程，王勇说，“糖基化修饰在天然产物的合成中广泛存在，但甜菊糖二萜母核的糖基化修饰在自然界却特别稀少，只有三、四种植物可以产生这类化合物，如甜叶菊、甜叶悬钩子、日本的明日叶等，化合物的种类也只有100 多种。我们解析了这类化合物在植物中是如何被合成的，哪些酶参与了这个过程，特别是糖基化产物是如何被合成的，它的机制是什么。基于催化机制的研究和工程化设计，进一步改善了这些关键酶的催化活性，最终通过合成生物技术，在微生物底盘中实现了甜菊糖稀有组分Reb D和Reb M的定向、高效合成，并于2018年在全球范围内率先实现了工业规模化生产。”

　　据了解，该团队开发的甜味剂原创产品，涉及两个甜菊糖的稀有组分Reb M和Reb D。这是天然甜味剂中少有的口感与蔗糖无差别的天然代糖，这两种成分在天然甜叶菊的叶子中含量极低，仅靠提取无法实现工业规模的生产。

　　2019 年，基于合成生物技术的Reb D和Reb M生产通过了美国食品药品管理局甜味剂认证。该发酵技术目前已经部分取代了传统的植物提取方式，节约了大量耕地，实现了不依赖于植物种植提取的绿色生产。基于该技术的甜味剂产品已经在食品、饮料等领域中获得了广泛使用，获得了很好的经济和社会效益。该技术大大提升了传统甜叶菊提取行业的技术水平，对整个行业起到了示范和推动作用。

成本控制法规完善成主要挑战

　　合成生物学在国内市场才刚刚兴起，尤其是在食品配料和功能营养领域，这个过程中存在很多细分的市场机遇，同时也面临很多挑战。

　　其中，从实验室概念阶段到工业化量产阶段，成本控制是早期需要面对的首要难点。而在政策法规方面，作为食品原料或食品必须要有合法的身份，国内新食品原料的申报周期比较长，而且大多是参考国外法规批准的物质。同时，合成生物学生产的新型健康原料必须要纳入安全评价和监管体系中，因此整个过程漫长。显而易见，法规的完善对合成生物学商业化真正落地将起到重要推动作用。

　　目前，对于食品领域的应用，美国和欧盟的规定都很清晰，基因工程菌株来源的食品、保健品和饲料添加剂是允许使用的，需要经过一系列的申报审批。

　　我国当前只有许多试行政策，预计未来相关的法律法规也会逐渐跟上。据了解，我国有些菌种已经在安全性方面获批。政府的持续支持和法规的完善会使合成生物学的发展进入快速通道。业内人士认为，市场的需求、行业的需求、国家的需求、人类发展的需求，是合成生物学家从选题到产业化必须要考虑的问题。“生物工程、生物技术只有转化为产品，服务于人、国家和行业，才有价值。”无论业内人士还是专家，对合成生物学的未来都充满期待。

　　（杨晓晶 综合整理）