【中国食品报网10月20日】面向未来全球食物供给增长需求，合成生物学被视为变革传统农牧业生产方式、构建多元化食物供给体系的关键技术。我国高度重视该领域发展，早在2006年就在国家中长期科技发展规划中布局相关研究。此外，国家提出大食物观，进一步明确要向植物动物微生物要热量、要蛋白，《“健康中国2030”规划纲要》提出，“制定实施国民营养计划，深入开展食物（农产品、食品）营养功能评价研究”，为合成生物制造食品原料提供了清晰的政策导向，产业从基础研究快速走向产业落地。然而行业仍面临底盘细胞改造难度大、发酵转化瓶颈突出、功效证据链构建难等挑战。近日，2026未来食品产业大会同期举办的第十一届江南食品产业论坛“食品资源与生物合成”分论坛上，与会专家提出，在守住食品安全底线的同时应为产业创新留出合规通道，随着细胞工厂技术持续突破、产业孵化加速落地、分类评价监管体系不断完善，合成生物学正加速从“未来食品”概念走向规模化应用，成为驱动我国食品产业转型升级、保障国家食物供给安全的重要力量。
论坛现场
技术迭代菌株改造赋能高值产物
“到2050年，食物总需求将增加50%，蛋白质需求增加30%—50%。”江南大学生物工程学院副院长赵鑫锐介绍，《中国食物与营养发展纲要（2025—2030年）》明确了食品产业要以营养健康为核心导向，创建多元化供给体系，满足个性化膳食需求。“生物技术+信息技术+食品技术”的融合发展模式为食品产业的生产方式带来变革。
合成生物学以工程学理论为依据，通过设计、合成新的生物元件、装置、系统，或者对现有生物系统重新设计改造，实现特定生物学功能。本质是工程化理念，设计—构建—测试—学习的循环，把生物元件组装为器件、线路、模块，在底盘细胞上进行组装，改造或者创造生命体。底盘细胞是合成生物学中经过人工精简、重构与标准化改造的工程化宿主细胞，用于承载外源基因回路和代谢通路，实现目标产物的高效合成。
国家食品安全风险评估中心博士张维春柏介绍，全球从2000年起，合成生物学从基础研究快速走向产业落地，各国陆续出台战略规划布局该领域。我国从2006年起，在多份国家级规划中逐步布局合成生物学，2022年发布了《“十四五”生物经济发展规划》，从早期的基因编辑研究，演进到了如今的工程生物学与细胞工厂开发。
历经二十余年发展，合成生物学底盘细胞改造持续迭代，多款高附加值功能产物实现实验室到产业化的技术跨越。
“在国家‘双碳’战略目标的驱动下，二氧化碳资源化利用受到广泛关注。二氧化碳经电催化转化可得到绿色甲醇；甲醇可作为微生物发酵碳源，经由微生物转化生产各类高附加值产物，以此实现节能减排与绿色发展。”天津科技大学教授秦慧民介绍，“甲醇作为发酵碳源，具备不与人争粮、发酵成本低、能量密度高、储运便利的优势。但甲醇生物转化仍存在诸多瓶颈：菌株对甲醇耐受性差，以及甲醛毒性、能量代谢不平衡，菌株难以在甲醇培养基上正常生长。”
硫酸软骨素A俗称“人体软黄金”，可促进钙吸收，用于骨关节炎辅助调理、伤口修护等领域。秦慧民介绍，硫酸软骨素A的传统动物提取法存在原料不稳定、病毒污染风险；化学与体外酶合成法成本高、工艺复杂。微生物合成是未来发展方向，但长期面临一大技术痛点：产量提升往往伴随硫酸化比率下降，存在明显“跷跷板效应”。
秦慧民研究团队从头开展酿酒酵母代谢工程改造。酿酒酵母自身没有甲醇利用途径，通过引入异源的Medh（甲醇脱氢酶），使其能够在甲醇培养条件下生存。研究采用双通道分段优化策略攻克高效的甲醛同化难题，提升关键中间物木酮糖5磷酸供给，甲醇利用效率显著提升。在此基础上，继续引入木糖代谢途径，以实现“双碳”源供应策略对菌株进行适应性进化，筛选出可在低营养甲醇培养基中生长的甲基营养型酵母。尝试在甲基营养型菌株中构建C1利用平台以合成软骨素。首先，引入TuaD、KfoA和KfoC3个关键基因并进行优化，软骨素产量达301毫克/升。进一步，引入了光敏标签（SULI和PSD），构建了生长－代谢分离型菌株，以解决碳通量竞争问题。最终，SC29的软骨素产量高达466毫克/升，实现了菌株生长与产物合成的平衡。
在此底盘细胞之上，秦慧民研究团队引入光敏元件，构建了生长－代谢分离型菌株，调节菌株生长和软骨素合成。叠加强化前体无机硫酸盐的供应、强化关键基因等多轮改造，得到菌株SC38。经5升发酵罐验证，软骨素产量可达2.01克/升，磺基化水平达24.9%，打通了甲醇向硫酸软骨素A高效转化的合成路径。
功能性脂质是一大类具有特定生理活性的化合物，DHA、EPA、角鲨烯、β胡萝卜素等都属于该范畴，在食品、保健食品、医药等领域应用广泛。当前功能性脂质绝大部分依靠动植物提取，受季节、产地、自然资源约束，存在产物含量低、提纯成本高昂、产量不稳定等产业痛点。“合成生物学为物质供给模式变革提供了新思路，微生物制造被认为是功能性脂质最具潜力的发展方向。”南京师范大学教授孙小曼说。
市场需求达到千吨、万吨级别生产能力的化合物，对底盘细胞有严苛要求：生长速度快、生物量高、油脂积累能力强、能够耐受高强度工业发酵环境。孙小曼介绍，常规大肠杆菌、酿酒酵母无法胜任脂质化合物生产要求，孙小曼研究团队经过20余年，选取裂殖壶菌作为底盘细胞，实现生物量及油脂量大幅度提升。针对裂殖壶菌遗传操作困难的痛点，团队完成三代基因编辑工具迭代。从早期基于农杆菌介导的转化体系，到基于tRNA启动子开发CRISPR/Cas9系统，进一步开发双重组酶联用（DRS）基因编辑技术，可实现多轮迭代使用，不依赖复制型质粒或诱导型启动子，连续编辑6轮后，编辑效率仍保持75%以上。
同时孙小曼研究团队构建了包含上百个不同转录水平启动子文库用于后续菌株改造，开发启动子－靶向位置双控制策略，用于代谢途径不同基因的精细化调控。基于成套工具，构建多元细胞工厂，实现系列功能油脂产品开发：120吨发酵罐油脂达142克/升，DHA含量达70%；EPA含量提高至59%，且基因型稳定；改造获得角鲨烯产量13.7克/升。“合成生物的终点不是实验室摇瓶数据，要走到百吨、千吨发酵罐，完成产业化落地才是完整闭环。”孙小曼表示。
AI融合功能食品靶点与蛋白双突破
随着功能食品产业快速发展，市场对原料功效不再只满足于现象描述，行业亟须完整、可溯源的科学证据链解释原料作用机理。
嘉必优合成生物科技（武汉）有限公司资深研发工程师林子存介绍了嘉必优合成生物技术平台。平台包含高通量智能发酵系统、基因合成与分子克隆岛、自有算力中心等，整套研发链路以AI预测靶点与基因调控策略为起点，自动化平台完成底盘细胞构建，发酵后结合多组学检测反馈迭代优化菌株。以微生物发酵生产的N-乙酰神经氨酸（SA，燕窝酸）为例，团队借助AI分子对接预测SA靶向TGFBR1受体，调控胶原蛋白生成通路。使用蛋白质组学对SA的胶原蛋白表达功效进行全面研究，结果发现SA促进蛋白质网络上10多种胶原蛋白的表达。亲和纯化质谱证明SA能够促进胶原蛋白三螺旋功能结构组装与稳定。空间代谢组进一步验证SA可促进胶原蛋白表达，完成从AI预测、细胞水平到离体组织的完整功效证据链。
赵鑫锐表示，当前合成生物学虽已实现部分功能组分的制造，但工业化仍面临四大痛点：功能蛋白产量偏低；辅因子供给失衡导致蛋白活性不足；限速酶催化效率低下；外源酶与底盘细胞催化体系不适配。在天然产物催化合成体系效能优化方向，团队依托GMS多模块组装AI预测模型，对P450这类关键限速酶进行分子改造，精准预测了多种天然产物（圣草酚、香豆素、鹰嘴豆素等）合成限速酶关键靶点，提升酶催化能力。通过强化底盘细胞蛋白合成能力，精细调控辅因子供给水平，AI指导改良关键限速酶活性，构建功能组分高效合成细胞工厂，为食品功能组分的生物制造提供平台，提升未来食品的色泽、风味和营养。
“小样本自主学习系统可以挖掘传统手段发现不了的突变位点。”江南大学研究员吕小妹表示，乳果糖是肠道健康领域的重要功能糖，传统化学异构法制备的乳果糖转化率仅为20%—35%，副产物种类多，纯化成本高。纤维二糖差向异构酶具备合成乳果糖潜力，但结构异构活力低。
团队对纤维二糖差向异构酶开展从结构解析、蛋白质改造、高通量筛选、AI辅助进化、表达优化再到多酶级联细胞工厂构建的全链条研究。其中，开发基于多模态预训练框架的酶自主学习迭代系统，在设计模块引入冷启动区域引导扫描策略与多目标主动学习策略，无需人工干预即可实现更理性、无偏的突变位点选择；在学习模块，通过多模态融合框架与高效微调技术对酶变体进行综合评分，在少样本学习条件下仍保持高精度与强泛化能力。作为即插即用的蛋白质进化工具，可实现小样本、高精度、可泛化的酶优化。成功应用于纤维二糖差向异构酶：通过3轮预测和改造（每轮50个突变体），最优突变体AI-Cs的突变深度为7，相较WT提高了3.4倍，显著优于半理性设计。
分类精准监管新食品原料合规有路径
技术创新离不开安全监管保驾护航，张维春柏表示，合成生物学可以提升蛋白、功能成分生产效率，变革传统农牧业生产模式。但新工艺同时带来新风险，我国坚持“创新发展与高水平安全协同”，实行上市前审批与上市后监管相结合的监管模式。
我国将食品加工用遗传修饰微生物及其产品分为四类：Ⅰ类纯化产物，去除了遗传修饰微生物及新引入基因片段，经纯化后化学结构明确的化合物，如氨基酸、维生素、母乳低聚糖等；Ⅱ类复合产品，去除了遗传修饰微生物及新引入基因片段的混合物，如微生物粗提物、大多数酶制剂等；Ⅲ类灭活微生物产品，含有新引入基因片段，但不能够增殖和转移基因的遗传修饰微生物产品，如热失活的发酵剂等；Ⅳ类活性微生物产品，含有新引入基因片段，能够增殖或转移基因的遗传修饰微生物产品，如活的发酵剂菌种。Ⅰ和Ⅱ类产品由国家卫生健康委员会开展评价，无环境释放风险为Ⅰ类和Ⅱ类产品申报的前提条件。Ⅲ类和Ⅳ类产品由国家卫生健康委员会转交农业农村部进行遗传修饰微生物安全性评价，并根据农业农村部的评价结论开展后续评价。
张维春柏介绍，当前申报热点集中在阿洛酮糖等新食品原料。整套申报材料由产品信息、遗传修饰微生物相关信息、受体微生物的安全性评价、基因操作的安全性评价四大板块构成。
产品信息包括产品的组成、目标产物含量等检测数据。去除外源基因的处理工艺步骤和参数，并提供产品中无外源引入基因残留的检测报告。采用PCR方法对生产菌株的DNA片段（包括目的基因、报告基因、标记基因等）进行检测。
遗传修饰微生物相关信息是整套申报中最重要的部分。分类及鉴定资料需要基于表型、基因型和最新测序技术鉴定到种或亚种水平的鉴定报告。需要基于全基因组测序进行的毒力基因、耐药基因、毒素产生相关基因等分析，以及遗传修饰微生物的致病性、耐药性和产毒能力试验报告。
在基因操作的安全性评价方面，目的基因整合的稳定性应采用PCR等方法扩增外源基因片段，测定扩增产物的序列，分析外源基因片段的插入情况或微生物基因缺失情况，提供不少于转接传代5代的试验数据；目的基因表达的稳定性应采用蛋白质印记（Western-Blot）、质谱、色谱等方法，分析表达产物中外源基因表达的稳定性，提供不少于转接传代5代的试验数据。
张维春柏表示，促进产业快速、健康发展，应从三方面努力，构建适合我国国情的合成生物学食品安全保障综合体系。在政府层面，明确监管权责，落实责任，明确部门分工，加强跨部门协作；完善监管政策和标准法规体系；构建科学、清晰的管理路径。在企业层面，加强全链条技术攻关，突破关键技术壁垒；加强新工艺、遗传修饰相关原料、终产品全营养安全性评价，构建风险防范和质量控制技术体系；建立“产-学-研”协作机制和平台，加强行业沟通交流。在社会公众层面，开展公众参与的社会调查研究；建立新食品科普基地和科普平台；培养专业的新食品科普人才队伍。
本文来源：中国食品报网
原文链接：https://www.cnfood.cn/article?id=2112475425800294402
