文|觀察未來科技
氣候變化、人口的持續(xù)增長、逐漸減少的耕地，以及人們對健康的需求，讓糧食問題成為一個全球性問題——如何保障安全、營養(yǎng)和可持續(xù)的食品供給面臨巨大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)也對未來食品供給方式和功能提出了新的要求。
如今，我們已經走到了食品變革的前夜，在合成生物技術下，各種各樣的“新食品”應運而生。從耕地資源生產食物，轉變?yōu)槿轿弧⒍嗤緩介_發(fā)食物資源，創(chuàng)新蛋白來源、食品原料和食品工業(yè)配料，開發(fā)用于食品生產的細胞工廠。可以說，人類正在以科技手段賦能食品產業(yè)，拓展食品邊界。
變革食品生產方式
合成生物學是繼“DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組計劃”之后，以工程化的手段設計合成基因組為標志的第三次生物技術革命。作為一門前沿交叉學科，合成生物學匯聚并融合了生命科學、工程學、基因組學等諸多學科，并展現(xiàn)出極其廣闊應用前景。在食品方面，合成生物正在成為推動新食品發(fā)展的關鍵技術。
在今天，由于環(huán)境污染、氣候變化和人口增長，傳統(tǒng)食品獲取方式和供給模式日益面臨巨大挑戰(zhàn)。以肉類食品為例，自1960年至今，全球人口翻了一番人類對動物制品的消費已經增長了5倍，這一數(shù)字還將繼續(xù)增長。更嚴峻的是，包括印度在內等原本較為貧窮的國家變得越來越富裕，許多以前主要以植物性飲食為主的人，開始轉向需要大量肉類、雞蛋和乳制品的美式飲食。
并且，肉類生產與氣候變化息息相關。在人類排放的所有溫室氣體中，14.5%來自畜牧業(yè)——畜牧業(yè)的溫室氣體排放量與所有交通工具的排放總量，包括乘用車、卡車、輪船、飛機等差不多。肉牛和乳牛不僅會透過腸道發(fā)酵和糞便排放甲烷、導致土地發(fā)生變化，還會在生產飼料、消耗能源、運蝓的過程中間接排放溫室氣體，是甲烷和溫室氣體的最大排放源。
相關挑戰(zhàn)對未來食品供給方式和功能提出了新的要求。食品獲取方式和功能的改變將成為人類未來生產方法和生活方式改變的代表性問題，未來食品應該具備“更安全、更營養(yǎng)、更方便、更美味、更持續(xù)”的特征。
在這樣的情況，合成生物學為食品重要組分、功能性食品配料和重要功能營養(yǎng)因子的生物制造提供了關鍵技術和方法支撐。食品合成生物學其實就是在傳統(tǒng)食品制造技術基礎上，采用合成生物學技術，特別是食品微生物基因組設計與組裝、食品組分合成途徑設計與構建等，實現(xiàn)更安全、更營養(yǎng)、更健康和可持續(xù)的食品獲取方式。
首先，食品合成生物學可以改善傳統(tǒng)的食品生產和制造，比如合成肉類，合成生物學的出現(xiàn)使得肉類類似物在外觀和色香味等特征上能夠模擬真實的肉。從而滿足消費者對食品數(shù)量和質量日益增長的需求。其次，食品合成生物技術使得人們將能夠定制設計、生產所需的食物成分，從而改善食品的營養(yǎng)和補充食品新功能。最后，合成生物學可以改造傳統(tǒng)發(fā)酵生產方式，構建工程微生物，從而將可再生原料轉化為主要食品成分、功能性食品添加劑和營養(yǎng)化學物質，比如，開發(fā)菌株使其直接利用二氧化碳等新原料，實現(xiàn)無需植物參與的負碳生產。
當前，食品正在成為全球合成生物市場重要增長極。近年來，許多企業(yè)逐步從平臺型全能企業(yè)，分化出專注于某一垂直領域的企業(yè)，并在細分市場站穩(wěn)腳跟后，開始布局更有技術優(yōu)勢和產品壁壘的新興市場?？梢哉f，今天，合成生物學已經成為推動新食品發(fā)展的關鍵技術。
食品“未來式”
目前來看，食品合成生物學最受關注的兩方面，也是食品合成生物學具有獨特優(yōu)勢的兩方面，就是革新微生物食品生產，以及開發(fā)高附加值的替代蛋白。
從微生物食品生產來看，長期以來，微生物在人類食品生產上都具有不可代替的重要作用。而可食用的微生物，因其有著生態(tài)環(huán)保、生長速度快以及能夠生產多類營養(yǎng)素等優(yōu)勢，已經在近年被提議作為食品和飼料的可能替代品。然而，天然微生物的直接生產和食用，仍然面臨應用上的難題。
究其原因，一方面，微生物中的目標營養(yǎng)素含量仍然較低，另一方面，則是部分微生物存在不良特性，例如要是過量攝入核酸高度積累的酵母和細菌細胞，可能會導致血液中尿酸水平升高，最終導致痛風等癥狀。
合成生物技術的出現(xiàn)和發(fā)展，革新了這一現(xiàn)狀，這種能夠直接設計定制活體微生物的強大方法，使得人們能夠直接改造微生物從事更加專門、更加健康的食品成分定制生產。合成生物技術的發(fā)展提供了多樣化工具，使得研究人員能夠對微生物進行設計、組裝、調試和改造，以滿足各類需求。
根據(jù)研究人員的統(tǒng)計，世界衛(wèi)生組織（WHO）標準中所有營養(yǎng)素目前都能夠通過微生物生產提供，這其中囊括了碳水化合物、脂肪和蛋白質的常量營養(yǎng)素以及維生素、膳食纖維和礦物質的微量營養(yǎng)素。
在開發(fā)代替蛋白方面，近年來，隨著人們生活水平的日益提高，動物來源的優(yōu)質蛋白質已經無法滿足不斷增長的需求。合成生物學的發(fā)展卻實現(xiàn)了通過微生物進行高價值蛋白質的設計和生產。
比如血紅蛋白。血紅蛋白合成代謝途徑主要包含珠蛋白合成和血紅素合成兩個模塊。合成生物技術，能夠在底盤細胞中優(yōu)化與適配高效珠蛋白合成模塊和高效血紅素合成模塊，提升血紅蛋白合成效率。并我i人，在獲得高效血紅蛋白合成菌株的基礎上開展發(fā)酵過程優(yōu)化，為菌株生長和血紅蛋白合成過程提供適宜的營養(yǎng)條件和環(huán)境條件，助力細胞工廠發(fā)酵法高效合成血紅蛋白。
以合成生物生產替代蛋白的另一推動力是對環(huán)境的友好。首先，微生物對氮、磷和其他營養(yǎng)物質的利用效率顯著高于植物，減少人工施肥下氮磷流失對環(huán)境的影響。其次，微生物發(fā)酵能夠顯著減少土地和水的依賴，不直接與糧食作物競爭土壤和淡水資源，可以規(guī)?；霞s化生產。最后，傳統(tǒng)的牲畜飼養(yǎng)是溫室氣體甲烷排放的主要來源，以能量轉化角度來看，采用替代蛋白與傳統(tǒng)肉類相比可以減少 80% 以上的碳排放。
如今，我們已經走到了食品變革的前夜，合成生物技術的發(fā)展，正在為無需植物、動物的食品生產開辟著全新的道路。
雖然在全球范圍內，審批與監(jiān)管仍然嚴格，但戰(zhàn)略部署及政策支持也已經凸顯。美國作為合成生物技術的先驅者，具有最活躍的市場和技術氛圍，是合成生物學全球最大的區(qū)域市場；英國較早就重視合成生物學發(fā)展；歐盟最早擬定合成生物學發(fā)展路線，促進其發(fā)展歐洲循環(huán)生物經濟。
我國在2022 年，也提出“探索新型食品，實現(xiàn)食品工業(yè)化迭代升級，降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖環(huán)境資源壓力”， 2022 年轉基因來源的食品營養(yǎng)強化劑公開征求意見，展現(xiàn)出對合成生物技術主導的新食品的政策利好態(tài)勢。
可以預見，隨著合成生物學的應用，未來傳統(tǒng)農牧業(yè)生產體系將被改革，生物農藥、無動物的生物工程、奶和糖替代品、工程化啤酒、人造肉等都可以通過微生物反應器生產。當然，在那之前，生物合成產品先要通過安全性的試驗。