北京
近日，中國科學院天津工業生物技術研究所，低碳合成工程生物學全國重點實驗室吳信團隊在《科學通報》發表了題為“單細胞蛋白生物創制策略”的綜述。文章系統評述了單細胞蛋白（single cell protein，SCP）的研究現狀與發展前景，包括酵母、細菌和藻類作為“工廠”生產SCP在底物選擇及營養結構上的差異，以及對于保障國家糧食安全、踐行“大食物觀”、推動新質生產力發展及構建可持續的全球食品系統具有重大意義。
圖 1 SCP 在食品和飼料工業生產中的應用
蛋白質作為生命的物質基礎，是機體細胞、組織和器官的重要組成成分，對于人類和動物的生長發育至關重要。SCP以其高效生產、低土地依賴及可調控營養成分為突破方向，為應對全球蛋白質需求增長和人畜爭糧問題提供了一個可持續性的替代方案。SCP工業生產的核心在于選擇合適的菌株，藻類、細菌和酵母微生物具有不同的細胞組成、生理特征和能量需求，這使得它們在SCP生產中具有多樣化的應用途徑。此外，因為工業微生物可以是光合作用或化學自養生物、甲基營養生物、異養生物和混合營養生物，需要根據不同的待轉化原料來選擇適合于菌株的培養模式。此外，SCP產品的安全性是其食品與飼料應用獲批的核心前提，許多SCP中高核酸含量（占干重15%–16%）引發的健康風險顯著制約了市場接受度。
成本是制約SCP廣泛應用的主要因素，通過糧食來源的碳源生產SCP仍然無法擺脫對傳統農業的依賴，且成本難以與傳統大豆蛋白粉相競爭。利用甲醇和污水等工業產物生產SCP，在應對與糧食安全、資源稀缺和環境可持續性相關的全球挑戰方面具有巨大潛力。本團隊實現了畢赤酵母底盤在“內驅力”作用下的代謝流重新編程，從而提高了工業菌株對畢赤酵母甲醇的耐受性和代謝效率，顯著增強了甲醇-蛋白代謝流的定向轉化，提高了碳氮協同轉化效率并降低碳損失，從而實現了以甲醇為碳源的SCP的高效轉化。
未來SCP的規模化生產仍面臨若干挑戰，包括微生物菌株在工業環境中的穩定性和代謝負擔、部分菌種核酸含量過高可能導致的生理負擔，以及用于人類消費的SCP產品風味和質構問題。隨著合成生物學技術的發展，菌株的魯棒性將得到顯著的提升，有利于耐受并轉化不同的底物，同時定向合成功能性次級代謝產物。人工智能技術的賦能，可以定向設計發酵菌株的代謝路徑，優化發酵工藝，進一步提升SCP的產量和質量。通過解決上述挑戰，先進的SCP技術有望重塑全球食品系統，彌合循環碳經濟與營養安全之間的差距。以CO2、甲醇、甲酸等一碳原料和多種工農業副產物作為碳源生產的SCP有助于緩解我國蛋白營養資源短缺現狀，同時減少資源浪費，和傳統工農業形成的互相促進的形式。作為一種可持續的蛋白質來源，SCP必將在滿足全球不斷增長的蛋白質需求、減緩氣候變化以及促進資源循環利用方面發揮越來越重要的作用。
中國科學院天津工業生物技術研究所吳信研究員為論文第一作者，高樂研究員為論文通訊作者。相關研究受到中國科學院戰略性先導科技專項（XDC0110304），天津市科技計劃項目(Grant No.23YFYSHZ00140) 和四川省科技成果轉化轉移示范項目(2024ZHCG0108)資助。
文章信息
吳信，吳凡，張哲瑞，等.單細胞蛋白的生物創制策略. 科學通報, 2025.
https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5387.
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