合成生物学助力粮食及多元食品可持续生产

2022 年 10 月 16 日是第 42 个世界粮食日 (World Food Day)，联合国粮食及农业组织 (FAO) 将 2022 年的全球活动主题确定为：「不让任何人掉队。更好生产、更好营养、更好环境、更好生活。」据 FAO 今年最新报告显示，全球仍有三分之一的人口面临着粮食不稳定，且有超过 30 亿人口（约占全球总人口的 40%）无力负担健康的膳食。

在世界人口不断增长、疫情、气候变化和战争等多重危机之下，世界粮食系统面临着巨大压力。盖茨基金会称，如若不采取行动，预计从现在到 2030 年，仅非洲地区就将增加 3200 万饥饿人口。然而，在过去几年中，主要作物的产量增长率已经趋于平稳，增加可耕地的可能性有限。在这种情况下，人们迫切需要找到一种快速且可持续的方法，在有限的可耕地上生产更多的农产品、提高农产品的营养价值，以确保未来的粮食安全。

  图源：联合国粮食及农业组织

随着基因组学革命和系统生物学的不断发展，合成生物学得以兴起，研究人员可以使用分子生物学工具和技术来推动细胞行为的工程化。现如今，合成生物学已经在能源、化学工业、医药、食品、环境以及农业等领域取得了进展，也为应对世界性危机提供了解决方案。

在农业领域，通过改造代谢途径、遗传回路或者生物体结构，研究人员可以提高农作物的产量。同时，可持续农业是合成生物学应用的另一方向，例如通过改造微生物来进行生物施肥或者生物控制等。在传统农业之外，合成生物学技术还能够通过其他途径生产营养物质及食品，如利用二氧化碳在无细胞系统中合成淀粉、利用细胞培养生产人造肉等等。

近年来，基因组学技术不断发展，合成生物学家可以通过基因编辑等方法提高农作物的产量。基因编辑技术的应用对象可以是农作物本身，常见的路径有：通过改造加快农作物驯化和育种的速度、使其获得更高效的能源利用率、对不良环境有更高的抗性等。

过去，农作物的驯化主要依靠自然变异，根据考古观察，这一过程可能需要几千年的时间，而使用合成生物学手段可以大大加快驯化过程。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队利用基因编辑技术构建了异源四倍体野生稻的快速从头驯化策略，可以显著提高粮食产量，增加作物对环境变化的适应性，为作物育种开辟了新的方向。

通过合成生物学手段提高农作物抗逆性，也是提高农作物产量的一种方式。中科院遗传发育所的高彩霞团队是基因编辑在植物与农业应用领域的先驱之一，该团队多次将引导编辑 (Prime editing)、碱基编辑 (Base editing) 等工具用于植物的基因编辑，提高农作物的抗除草剂等性能，从而实现增产目标。中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣团队与上海交通大学林尤舜团队将高温抗性强的非洲栽培稻 TT3 基因位点导入到亚洲栽培稻中，培育成了新的抗热品系即近等基因系 NIL-TT3CG14，该品系在田间高温条件下，可增产 20％。

  图源：Lin et al. Nat Biotechnol (2020)

另外，通过干预细胞代谢通路，提高光合作用效率，直接提升农作物产量。在光合作用中，大多数植物会通过卡尔文循环将吸收的二氧化碳转化为戊糖分子核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP)，其中最关键的酶是 RuBP 羧化酶 (Rubisco)。通过将其他来源的高效 Rubisco 酶工程化到农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，引入碳浓缩机制 (CCMs) 以增加 Rubisco 酶周围的二氧化碳浓度是提高碳氧化效率的另一个有效途径。此外，合成生物学家还可以设计新的碳氧化途径，来提高植物光合作用的效果，比如德国马克斯-普朗克研究所 Tobias Erb 团队利用巴豆酰-辅酶 A (CoA)/乙基丙二酸-CoA/羟基丁酰-CoA (CETCH) 循环，在体外进行二氧化碳氧化。该团队进一步将 CETCH 循环封装在细胞大小的液滴中，使用微流体作为叶绿体的模拟物来创造一个人工光合作用系统。

合成生物学在农业中的另一个重要应用领域是改善生物氮氧化途径，提高作物对氮源的利用率。与光合作用的改进类似，将异源氮氧化基因簇 nif 移植到植物中是最直接的选择。

  合成生物学在农业中应用的示例，图源：Wang et al. Advanced Agrochem (2022)

基因编辑技术的应用对象除了农作物本身，还可以是与植物共生的微生物。传统的研究着眼于植物生长促进根瘤菌 (PGPRs) ，但是，PGPRs 难以和植物生长环境中的本地微生物群落共生。为解决这一问题，研究人员引入能够与植物稳定共存的、具有促进植物生长特性的菌株，并通过改造使这些菌株发挥与 PGPRs 相同的作用。比如麻省理工学院 Christopher Voigt 团队使用谷物内生菌株 Rhizobium sp. IRBG74 作为底盘细胞，通过引入类球红细菌 (Rhodobacter sphaeroides) 和产酸克雷伯氏菌 (Klebsiella oxytoca) 的重组基因簇来赋予底盘细胞氮素酶活性。PGPRs、固氮菌、关节杆菌根真菌 (AMF) 和外生菌根真菌 (EMF) 等土壤微生物可以恢复退化的土地，改善土壤的水力特性，利用改造后的土壤菌群可以修复病害土壤并抵御植物病原体的攻击。

此外，研究人员还可以利用生物体，如细菌和酵母底盘细胞进行材料加工和合成，从而用生物农药取代传统的化学合成农药，改变农药等农业化学品的生产模式等等。

农业作为世界性的重要议题，不仅受到了学术界的关注，在产业界中也有许多以企业为主体、专注于利用合成生物学技术促进农业发展的尝试。根据美国知名合成生物学媒体 SynBioBeta 统计， 2021 年欧美等国农业相关的合成生物学初创企业共完成了约 10 亿美元的融资。以致力于用生物氮肥取代化学合成氮肥的 Pivot Bio 为例，该公司研发的微生物可从空气中固定氮以供植物使用。目前 Pivot Bio 已经完成了 D 轮融资，并相继推出了针对玉米、小麦、高粱的商业产品。

  图源：Pivot Bio

值得一提的是，拜耳旗下的 Bayer CropScience 与合成生物学独角兽企业 Ginkgo Bioworks 两家企业也在积极研发农业固氮微生物产品，为此两公司合资创立了新企业 Joyn Bio。此外，Inari Agriculture 等企业也在运用 CRISPR 等基因编辑技术提高育种速度和农作物的产量。

国内也有许多合成生物学相关企业致力于在农业领域进行专业转化，如农业基因组与产业化服务企业康普森生物，该公司将数据科学、合成生物学、基因组学、食品科学等技术相结合，构建了国内主要农作物与畜禽的遗传多样性平台「Daxiang BreedingOS」等等。

利用合成生物学技术提高农作物的产量，本质上还是遵循「利用作物生产相应农产品」的方式；然而合成生物学的变革性力量不止于此，更体现在通过非传统农业的方式来生产食品。近年最具代表性的研究当属中科院天津工业生物技术研究所马延和团队通过设计人工淀粉合成代谢通路，实现了在无细胞系统中利用二氧化碳和氢气合成人造淀粉。按照目前数据分析，理论上 1 立方米大小的无细胞系统生物反应器年产淀粉量相当于我国 5 亩玉米地的年产淀粉量。

在粮食生产之外，合成生物学在食品领域的应用更加多元和广泛。根据 SynBioBeta 的数据，欧美等国食品行业的合成生物学企业在 2021 年完成了近 40 亿美元的融资，其中较为知名的 Impossible Food 和 Beyond Meat 两家公司致力于通过生产人造肉来推动全球食品的可持续发展。Beyond Meat 在招股书中提到，生产人造肉与动物来源的肉相比具有巨大的环境优势，能减少 90% 温室气体排放，减少 99% 的用水，减少 93% 的土地资源使用，减少 46% 的能源消耗，并解决动物福利问题。

  图源：Impossible Food

目前主要的人造肉生产方式有两种：一是利用植物基原料生产植物肉，二是利用细胞培养生产细胞培植肉，对应了两种常见的合成生物学在食品领域的应用模式。

第一种模式是利用植物基生产高营养价值的食品，如蛋白产品、脂肪产品等。以色列初创公司 PoLoPo 是应用这种生产模式的典例，该公司利用土豆来代替母鸡，从而生产卵清蛋白；无独有偶，另一家来自于以色列的公司 Pigmentum 则致力于利用生菜生产乳制品蛋白。

第二种模式则是利用细胞来生产食品。当前的细胞培植肉在成本和可培养规模上仍面临着许多挑战，因此发酵基蛋白目前也正在得到更多的关注，这种方法主要以微生物发酵来生产大量的蛋白质，将发酵生产的蛋白质与其他成分混合，制造出替代食品。如利用丝状菌进行发酵的英国无肉品牌 Quorn，以及国内的利用生物质发酵和精密发酵开发食用蛋白以的蓝佳生物等。

除了生产高营养价值的食品外，合成生物学还可以用来减少食品生产中的碳排放。已如上述，与生产动物来源的肉相比，生产人造肉能减少 90% 温室气体排放。另外，在传统的啤酒酿造中，啤酒的风味依赖于啤酒花的香气，而无酒精啤酒则缺失这种风味，并且集约化种植的啤酒花在种植过程需要消耗大量水，运输及加工过程还会排放大量二氧化碳。对此，丹麦的合成生物学初创公司 EvodiaBio 利用工程化改造的酵母生产啤酒花的香气分子，制造出不含酒精但风味不变的啤酒，大大了减少生产过程中的碳排放和耗水量。

  图源：Cultura RM / Alamy Stock Photo

粮食危机是当前全人类所必须面临的重要问题。今年九月份，我国豆粕行情暴涨给饲料养殖企业造成巨大压力，也给国家带来了繁重的动物产品稳产保供任务，以及越来越紧的资源环境制约。因此，9 月 19 日，农业农村部部署全面推进豆粕减量替代行动，提倡「提效、开源、增草，从供需两端同时发力，多措并举促节粮」。当前，而合成生物学在当前已经显示出了可以缓解粮食危机的潜力。

目前，合成生物学在农业及食品领域的应用成为了大国关注的焦点之一。在今年 9 月 12 日由美国总统拜登签署的《关于推进生物技术和生物制造创新以实现可持续、安全和可靠的美国生物经济的行政命令》中，美国政府明确指出需要改善粮食安全并推动农业创新；而在我国的《“十四五”生物经济发展规划》中，国家发改委也提出了「顺应“解决温饱”转向“营养多元”的新趋势，发展面向农业现代化的生物农业，满足人民群众对食品消费更高层次的新期待」的目标。我们有理由相信，随着生物经济的高速发展，未来合成生物学在农业中的应用将得到更多的政策支持。

此外，国内外的合成生物学领军企业，如 Ginkgo Bioworks 和蓝晶微生物等也已在农业和食品领域开展了相应的布局。希望在不久的将来，我们可以看到合成生物学为世界人民的粮食危机做出突破性的贡献。