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二氧化碳合成食用油?国内外研究屡获进展,但仍面临大规模生产挑战

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DeepTech深科技 2021-10-17 23:12
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几十年来,已有大量的研究证明,牲畜在饲养过程中会排放大量温室气体。以畜牧业为代表,相关食品及其产业链已经成为了影响全球环境的噩梦,对生态系统的影响相当广泛。

此前,据联合国粮农组织和世界资源研究所统计,包含养牛在内的畜牧业,所产生的碳排放约占全球总排放量的近 15%;而全部交通工具产生的二氧化碳量不过占 24%。2018 年,Science 杂志曾发表过一篇报告,称食物及相关产业链 “贡献” 了全球 26% 的温室气体排放。

为了有效降低食品碳足迹,并实现可持续发展的食品制造技术。来自哈佛大学 Wyss 研究所的科学家们开始了新的尝试。他们利用微生物发酵建立更加环保的食品制造工艺。该技术将利用二氧化碳作为发酵原料生产各类生物制品,其首个产品目标将是用二氧化碳合成食用级脂肪。食用脂肪是人可直接食用或烹调的油脂,比如豆油、花生油、橄榄油、羊油、奶油等等。

精确发酵技术为食品增添 “风味”

在 “碳循环”、“碳固定” 技术日新月异的今天,诸如 LanzaTech、Cemvita、Carbon Recycling International 等公司早已将 “气体发酵” 标签送上热搜。

长期以来,受到面包、啤酒制作等传统发酵工艺的启发,利用各类微生物快速、有效地进行大规模生物质合成已经是老生常谈的话题。

近年来,搭乘越飞越高的合成生物学航班,使用各种经过改造的微生物作为 “细胞工厂” 的精确发酵产业正在逐渐兴起。已有越来越多的生物科技公司涌入该领域,以解决畜牧业、养殖业的碳排放问题为首要目标,该类公司制造产品以蛋白质、脂肪为主,在应用端则涉及到人造肉类、乳业及相关的调味品等。

如果蛋白质是制作食品的基础原料,那么脂肪则为食物增添 “风味”。具体到合成脂肪相关领域,除了微生物发酵技术正在辛勤劳作之外,包括 Hoxton Farms 等基于细胞合成法制造脂肪和肉类的合成生物学公司也在瓜分合成脂肪领域的蛋糕。

(来源:生辉整理)

目前,这些初创公司逐渐开始获得投资市场的关注。其中,奶酪商人 Change foods 的总融资额达到了 310 万美元,而关注植物性脂肪的 Nourish Ingredients 则获得了总计 1440 万美元的融资。

当前情况下,无论是使用发酵微生物还是培养细胞,各种商用工程微生物的制造过程普遍需要添加淀粉、糖或纤维素作为食物来源以便生产乙醇或乳酸,继而进行后续的合成反应。

虽然朝着正确的方向迈出了一步,但基于糖类的发酵技术又将为种植业带来压力,在全球范围内并不具有普适性。总的来说,这些公司并没有打通反应链条的上游。

具备个性化生产功能的共生菌群

今年 5 月,分拆自 Wyss 研究所的 Circe Bioscience Inc.(以下简称 Circe)在特拉华州注册成立,该公司的首个目标将是使用工程微生物将二氧化碳转化为食品级脂肪。

这家初创企业源自于 Wyss 研究所的 Circe 项目,意为 “细胞工厂的循环产业”。两名来自于哈佛大学 Wyss 研究所的科学家 Shannon Nangle 和 Marika Ziesack 成为了共同创始人。

在她们的项目中,钩虫贪铜菌 Cupriavidus necator(以下简称 C. necator,此前称作 Ralstonia eutropha)成为了打通生产链条的 “合成密码”。

大约 60 年前,该类别的典型菌种 C. necator H16 自土壤中被分离出来。自那之后, 它就成为了研究最多、基因组特征最好的化能自养菌。在过去的几十年中,C. necator 已经以合成聚羟基链烷酸酯(PHA,Poly-hydroxyalkanoates)项目成为了热门研究对象。

与植物类似,该类细菌基于卡尔文循环途径固碳,其能够利用氢气作为电子供体,将二氧化碳还原为有机物。近年来,该细菌作为固碳平台 “潜力股”,受到了研究人员的青睐。

2020 年,Circe 项目组基于改造的 C. necator 和大肠杆菌等设计了“共生菌群”培养模式,通过固定二氧化碳生产出三种主要产品:蔗糖,PHA 和脂壳聚寡糖(LCOs,lipochitooligosaccharides)。

以步骤间的产物功能划分,该技术主要分为两个试验部分:

第一部分,使用 “共生菌群” 固定二氧化碳,提高产量的同时,其产物蔗糖能够作为异养菌种的饲料;

第二部分,基于改造菌种的发酵过程制造所需产品。

首先,通过表达蓝藻相关的蔗糖合成酶类构建代谢通路,研究团队设计了基于大肠杆菌与 C. necator 的共生系统从而提高蔗糖产量。

随后,研究团队针对 PHA 的生产工艺进行设计,通过组合不同的硫酯酶和 PHA 合成酶选择性地改变产品组成,以便直接从二氧化碳中生产共聚物。此外,研究团队还设计了 C. necator 使用二氧化碳生产 LCOs 的路径,该化合物是一种植物生长促进剂。

图丨基于工程化 C. necator 的代谢通路(来源:Metabolic Engineering)

通过比较数据发现,共生菌落系统所获蔗糖产量是单独 C. necator 培育系统产量的 2~3 倍;与野生型菌株产量相比则提高至 30 倍。研究者猜测,该结果可能是由于异养菌种的热力学能被自养菌群有效利用导致的。

在第一部分试验的最后,研究团队利用共生菌落中的大肠杆菌成功制造出了紫罗兰素和胡萝卜素。这将为实现更长远的生产目标打下基础。

除此之外,经过通路改造,PHA 产量也进一步提高,根据产物组成的不同其产物细胞干重比由此前的个位数提升至 30~60%。而生产的 LCOs 滴度则为 1.4 mg/L,相当于其天然来源慢生根瘤菌的产量。研究团队将所获得 LCOs 应用于发芽种子和玉米植物,观察到了各种生长参数的增加。

在研究过程中,基于 PHA 合成通路产生的游离脂肪酸吸引了研究团队的注意。其价值在于,利用能够表达不同酶类的改造菌种,将能够合成特定的各种链长的脂肪酸分子。

而通过使用短链、中链、长链等不同的脂肪酸分子,Circe 将能够分别模仿制造出不同类型与来源的脂肪分子,例如植物来源的可可脂、亚麻籽油抑或是动物来源的乳脂等等,然后用于配制成美味且对于气候友好的食品。

这种能够精确设计并制造的产物分子给予了 Circe 进军食品业的信心。研究团队表示,经过适当的设计改造,该类细菌具备在合适的生长条件下生产任何数量的各类产品。其潜在产品包括但不限于:各种链长的醇类、脂肪酸、烷烃、聚合物和氨基酸等。

“我们对于公司的设想是,按照市场的需要生产不同的脂肪。告诉我们你想要哪种脂肪,我们将设计微生物来制造那个分子。” 担任公司首席执行官的 Shannon Nangle 说道。目前,该公司已针对代谢途径和过程等技术申请专利。

总体上看,该项研究不仅证明了其改造菌种用于生产的多功能性,同时探索了自二氧化碳到最终产物的直链化生产。

当前阶段,如何实现高效,低成本,可持续的糖原料供给,已经成为生物能源与生物炼制发展的主要瓶颈问题。

通过基因编辑和代谢工程,Circe 构建了更简洁的代谢生产途径。据介绍,该公司将首先推出可替代乳脂的甘油三酯(TAG),另一个短期内的生产目标则是 PHA,用于制造可生物降解的塑料包装、纺织品和个人护理成分等。

在未来,其共生菌落生产系统或将能够以纯粹 “自给自足” 的方式生产出更多的生物制品。

国内高校研究屡获进展,大规模生产待考验

在我国,基于 C. necator 菌种的自养发酵技术也受到了研究者的持续关注。

2018 年,来自天津大学化学工程与技术学院的宋浩等人,基于 C. necator H16 构建微生物电合成(MES)反应系统,以提高聚 - 3 - 羟基丁酸酯的产量。

2019 年,中国科学院天津工业生物技术研究所的毕昌昊团队,构建了以 C. necator 菌合成脂肪酸的生物途径,其研究获得了中科院重点部署 “二氧化碳人工生物转化” 项目的支持。2020 年,该团队又通过改造菌种,以提高聚羟基丁酸酯的产量。

毋庸置疑的是,推广并使用基于发酵技术的生物制品将有利于减少畜牧业、养殖业以及农业生产过程中的资源、土地和能源消耗。此外,“碳固定” 技术风头正盛。无论是出于日益严峻的环境问题考虑,还是从全球各国纷纷推出的相关利好政策来看,这一领域都将变得更加火热。

而对于消费者来说,现阶段生物合成食品的风险尚不明确。不过,基于发酵合成的理论来看,该类食品能够保证充足的蛋白质、营养成分和美妙风味,其在胆固醇、激素和抗生素等成分的控制方面也将存在明显优势。在未来,老年人、过敏人群以及素食主义者或将能够根据需求选择该类个性化商品。

在此之前,Circe 将首先致力于解决扩大生产规模的问题。

同大多数研究一样,Circe 的发酵过程诞生于一个实验室的烧瓶中,到目前为止,该流程的生产规模已经升级到容量为 10 升的发酵罐中。

(来源:Wyss 研究所)

对此,专注于生物催化与合成生物学方法研究的弈柯莱生物科技创始人罗煜博士表示,Circe 在从技术走向生产的过程中,反应系统的安全性、合理培养并控制大量的微生物及其代谢产物将成为重要课题。

由于 C. necator 的生产环境需要稳定、严格配比的二氧化碳、氢气和空气,而在装置扩容后,由氢气导致的爆炸风险将成为首个限制因素。

另外,发酵菌体能够允许的存活密度和生长周期也是难点所在。虽然共生菌落系统表现出同时利于两种菌体的优势,但用于工业化生产之中,微生物的生长密度和存活期将涉及到成本问题。而野生型 C. necator 的生长周期本身较长。

最后,多个菌种协同生产虽然在技术上能够实现,但随之而来的问题还包括更复杂的中间产物,以及在代谢产物不断积累的情况下能否实现连续化生产。包括后续可能会有更加复杂的分离纯化步骤,这些都将与成本问题息息相关,也是目前该类技术在工业方面应用受限的主要原因。

不过,罗煜也表示,基于微生物发酵技术能够直接合成与天然的动植物产品相同的分子,该技术在近年来屡获突破。不管是在合成效率还是合成范围方面都有可喜进展。此外,国家政策长期 “偏爱” 可持续发展技术企业,合成食品在符合相关法规和标准的要求之下,将具有很大的市场需求和发展空间。

“如果不能扩大规模,它就没有什么价值。"Circe 的首席科学官 Marika Ziesack 表示,研究团队的下一步计划将是继续 扩大反应,最终形成能够与二氧化碳供应企业(例如各类高排放工厂)配合并直接饲养微生物的规模。

参考资料:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1096717620301361?via%3Dihub

https://wyss.harvard.edu/technology/circe-tailored-fats-for-food-applications/

https://www.lipidmaps.org/resources/lipidweb/lipidweb_html/lipids/simple/tag1/index.htm

https://doi.org/10.1007/s11274-018-2473-0

https://doi.org/10.1007/s10295-019-02156-8

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