合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

1、合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用李宏彪; 張國強(qiáng); 周景文【期刊名稱】生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)【年(卷),期】2019(000)004【總頁數(shù)】6 頁(P5-10)【關(guān)鍵詞】合成生物學(xué); 食品領(lǐng)域; 基因編輯; 生物系統(tǒng)【作 者】李宏彪; 張國強(qiáng); 周景文【作者單位】江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 無錫 214122【正文語種】中 文【中圖分類】Q819合成生物學(xué)的發(fā)展合成生物學(xué)（synthetic biology）作為跨領(lǐng)域新興學(xué)科，是分子和細(xì)胞生物學(xué)、進(jìn)化系統(tǒng)學(xué)、生物化學(xué)、信息學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)和工程等多學(xué)科的交叉。合成生物學(xué)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)代謝途徑，人工合成組裝大量基因從而構(gòu)建細(xì)胞工廠或體外合成體系，

2、理論上可以合成任意化合物，將徹底改變藥物制造、工業(yè)化學(xué)和材料等領(lǐng)域。生物系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜和不可預(yù)測的整體，通過合成生物學(xué)技術(shù)與策略對(duì)核心分子部件不斷重新優(yōu)化，可增強(qiáng)現(xiàn)有系統(tǒng)的生物功能，模擬和構(gòu)建自然界中不存在的生物成分，有助于創(chuàng)建新的生物功能和系統(tǒng)1-3。在過去十幾年里，合成生物學(xué)方法已被應(yīng)用于生物燃料4、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)5等領(lǐng)域。隨著合成生物學(xué)與不同領(lǐng)域?qū)W科的交叉，不僅促進(jìn)了各行業(yè)發(fā)展，也帶來了合成生物前沿技術(shù)的不斷創(chuàng)新。合成生物學(xué)的廣泛應(yīng)用，對(duì)生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)快速增長等也有重要意義。合成生物學(xué)改變了過去的單基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，開創(chuàng)了綜合集成的基因鏈乃至整個(gè)基因藍(lán)圖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人工生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制

3、造。合成生物學(xué)研究是以基因組技術(shù)為基礎(chǔ)，利用工程化的策略，采用標(biāo)準(zhǔn)化的生物元件，構(gòu)建通用型的生物學(xué)模塊，設(shè)計(jì)組裝具有特定新功能的人工生命系統(tǒng)。目前，合成生物學(xué)的主流研究方向是發(fā)展工程化的生物合成體系，主要包括新的生物元件、組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建以及對(duì)現(xiàn)有的、天然的生物系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)改良等。為了實(shí)現(xiàn)快速的途徑組裝和細(xì)胞內(nèi)基因編輯，構(gòu)建高效合成生物學(xué)體系，科研工作者開發(fā)優(yōu)化了一系列基因編輯技術(shù)和重組技術(shù)。2008 年，Engler 等6設(shè)計(jì)了 Golden Gate 組裝方法，利用特殊的 IIS 類限制性內(nèi)切酶，在其識(shí)別位點(diǎn)外切割 DNA，產(chǎn)生可變的黏性末端，實(shí)現(xiàn)多片段無痕連接。2009 年，Gib

4、son 等7開發(fā)了 Gibson 組裝多片段拼接方法，通過對(duì)帶有相鄰 DNA 片段重疊區(qū)載體和若干片段線性化，連接酶和聚合酶的協(xié)同作用， 將多個(gè) DNA 片段進(jìn)行無痕組裝。2012 年，Jinek 等8證實(shí)了基于細(xì)菌基因組規(guī)律 成 簇 間 隔 短 回 文 重 復(fù) 序 列 （clustered regulatory interspaced short palindromic repeat, CRISPR）的 Cas9 可以和 DNA 特定序列位點(diǎn)結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行剪切，進(jìn)而開發(fā)出新型 CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)，并在合成生物學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。高效基因編輯與改造技術(shù)的發(fā)展加速了工程細(xì)胞的優(yōu)化

5、以及基因簇定向改造，也促進(jìn)了合成生物學(xué)在不同領(lǐng)域和行業(yè)的發(fā)展。合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用改善食品營養(yǎng)與風(fēng)味近年來，合成生物學(xué)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和化妝品等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，目前已擴(kuò)展到食品產(chǎn)業(yè)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)食品安全、營養(yǎng)和風(fēng)味等愈加重視。在保證食品安全的前提下，食品行業(yè)產(chǎn)品營養(yǎng)和風(fēng)味需要?jiǎng)?chuàng)新，從而迎合人們的口味。此外，還需要滿足人們對(duì)健康飲食的需求。例如，目前腸道疾病發(fā)病率逐年攀升，這與正常腸道微生物菌群被破壞有密切關(guān)系9。從膳食的角度看，益生菌是由活體微生物組成的膳食補(bǔ)充劑，當(dāng)攝入足夠量時(shí)對(duì)人體健康有益，應(yīng)用合成生物學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)腸道微生物功能的靶向調(diào)控。Sanc

6、hez 等10 將益生菌 Bacillus cereus CH 鞭毛蛋白基因在乳酸乳球菌中表達(dá)，用乳鏈菌肽誘導(dǎo) 6h 后產(chǎn)生鞭毛蛋白，增強(qiáng)了乳球菌在黏蛋白聚苯乙烯板上的黏附能力，同時(shí)抑制了大腸桿菌和腸炎沙門氏菌的黏附。除了利用合成生物學(xué)策略改造益生菌幫助人體對(duì)抗致病菌、免疫調(diào)節(jié)和維持營養(yǎng)物質(zhì)代謝外，科研工作者可以利用合成生物學(xué)技術(shù)來生產(chǎn)低熱量的甜味劑。擔(dān)心食品中添加的糖會(huì)帶來過多熱量，消費(fèi)者開始尋找低熱量甜味食品。稀有糖是自然界中存在但含量極少的一類單糖及衍生物，具有重要生理功能，可作為潛在的抗糖尿病和抗肥胖食品添加劑，但稀有糖的生產(chǎn)成本往往高于傳統(tǒng)糖，阻礙了稀有糖的廣泛使用11-12。其中，

7、天然甜味劑塔格糖的熱量就不及蔗糖的一半，合成生物學(xué)方法的應(yīng)用也可降低其生產(chǎn)成本。Liu 等13以釀酒酵母為底盤，基于合成生物學(xué)策略，通過敲除半乳糖激酶基因 GAL1，異源表達(dá)木糖還原酶和半乳糖脫氫酶并對(duì)它們的表達(dá)進(jìn)行優(yōu)化，最終使塔格糖產(chǎn)量達(dá)到 37.69gL-1。L-山梨糖同樣可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)糖，Kim 等14在大腸桿菌中表達(dá)來源于氧化葡萄糖桿菌 G624 的山梨醇脫氫酶，應(yīng)用固定化酶技術(shù)成功將 D-山梨醇轉(zhuǎn)化為 L-山梨糖，最終轉(zhuǎn)化率為 62.8%。另外，甘草酸也可作為甜味劑和調(diào)味添加劑，其甜度是蔗糖的 3050 倍15。Zhu 等16首先在釀酒酵母中整合了 -香樹脂醇合成途徑，同時(shí)異源表達(dá)氧化

8、酶CYP450s（Uni25647 和 CYP72A63）和還原酶（Cytochrome P450 reductase, CPR），實(shí)現(xiàn)了甘草次酸的合成，然后將甘草次酸合成途徑進(jìn)行表達(dá)優(yōu)化，最后通過平衡電子轉(zhuǎn)移效率使甘草次酸產(chǎn)量高達(dá)（18.9f2.0） mg L-1。顏色也是食品感觀評(píng)價(jià)的重要標(biāo)志，色素作為一種食品著色劑，廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，在食品生產(chǎn)中使用的色素主要分為天然色素和合成色素。目前，消費(fèi)者更喜歡選擇含有天然著色劑的食品，因?yàn)楹铣缮卦谑秤煤罂赡軙?huì)對(duì)人體產(chǎn)生副作用17。天然色素主要是從植物中提取，但植物生長周期較長，天然色素在植物中合成的量 也受地理氣候等因素影響，且提取過程復(fù)雜，

9、生產(chǎn)成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)18。合成生物學(xué)的發(fā)展為其提供了解決方案。Xie 等19設(shè)計(jì)構(gòu)建一套啟動(dòng)子強(qiáng)度表征系統(tǒng)，通過類胡蘿卜素顏色變化來判斷啟動(dòng)子強(qiáng)度，然后用篩選到的強(qiáng)啟動(dòng)子對(duì)類 胡蘿卜素合成途徑基因過表達(dá)，弱啟動(dòng)子用來下調(diào)分支競爭途徑基因的表達(dá)，進(jìn)而 增強(qiáng)底物流向目標(biāo)代謝途徑，最終獲得了高產(chǎn)類胡蘿卜素的工程酵母菌，類胡蘿卜 素產(chǎn)量達(dá)到 1156mgL-1。合成生物學(xué)應(yīng)用到食品工業(yè)中，可以生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品， 也為設(shè)計(jì)新的或改進(jìn)現(xiàn)有食品及其制造工藝提供了巨大的機(jī)會(huì)20。在日益重視健 康的社會(huì)中，合成生物學(xué)將在改善食品營養(yǎng)、風(fēng)味以及安全性方面得到更大的應(yīng)用。食物廢物的高效處理根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)

10、業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）的數(shù)據(jù)，全球約有三分之一的糧食被浪費(fèi)，因此開發(fā)高效的食品加工和食品廢物處理技術(shù)有利于解決糧食浪費(fèi)問題，提高糧食利用率。食品廢物是指在食品生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的剩余物，主要的處理方法是填埋、焚化和厭氧消化等。在垃圾的收集和運(yùn)輸過程中食品廢物容易腐敗，降低了其貯存、輸送、粉碎和分離的效率。在焚燒過程中需要引入水和氯，導(dǎo)致惡臭化合物的排放，對(duì)垃圾填埋場滲濾液的處理產(chǎn)生不利影響21。運(yùn)用合成生物學(xué)技術(shù)，可以定向設(shè)計(jì)改造微生物，將食品廢物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)或可用能源（如甲烷、乙醇和

11、電力等）。 此外，合成生物學(xué)在處理食物廢物方面還具有許多潛在價(jià)值，如可以利用生物系統(tǒng)來處理環(huán)境中的食品污染物包括重金屬、抗生素和殺蟲劑等難降解的環(huán)境污染物。Mattozzi 等22通過合成生物學(xué)方法設(shè)計(jì)了一種假單胞菌來降解有機(jī)磷殺蟲劑， 通過多種酶組合表達(dá)，工程菌株可在 48h 內(nèi)有效礦化對(duì)氧磷，并將對(duì)氧磷作為唯一碳源和磷源。Zhu 等23構(gòu)建的微生物工程菌，可以實(shí)現(xiàn)將二氧化碳和營養(yǎng)液轉(zhuǎn)化為生物能源的過程，還研究了農(nóng)作物從光截獲到碳水化合物合成過程中光合作用轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，以及合成生物學(xué)等學(xué)科在開發(fā)高產(chǎn)種質(zhì)方面的應(yīng)用前景。可降解食品包裝材料材料是人類社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。在食品的制造

12、加工過程中， 包裝材料同樣是食品加工的重要組成部分，以保持食品本身的營養(yǎng)和延長保質(zhì)期。目前，食品包裝主要使用的是一次性難降解高分子材料，主要由聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等高分子化合物制成。食品包裝材料被使用后，通常會(huì)被直接丟棄，如果散落在市區(qū)、風(fēng)景區(qū)或水體區(qū)等，不僅會(huì)造成視覺污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成潛在危害。針對(duì)塑料的使用，世界各國相繼發(fā)布限制使用塑料袋的法規(guī)，2007 年， 我國就已發(fā)布了“限塑令”。目前，韓國已全面禁止大型超市使用一次性塑料袋， 歐盟議會(huì)也已經(jīng)通過“史上最嚴(yán)禁塑令”提案。此外，石油是生產(chǎn)高分子材料的原料，我國大部分石油進(jìn)口來自中東地區(qū)，石油供應(yīng)安全存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，直接影響經(jīng)濟(jì)

13、安全和社會(huì)穩(wěn)定24。因此，發(fā)展綠色可持續(xù)的多功能材料勢在必行。合成生物學(xué)的出現(xiàn)為可降解材料的生產(chǎn)提供了解決方案。聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate,PHA）是一類具有不同結(jié)構(gòu)的生物多聚物，具有良好的生物可降解性和生物相容性，是目前唯一可以由微生物全合成的生物塑料25。PHA 可以通過化學(xué)方法或生物方法合成，與化學(xué)方法相比，生物合成的 PHA 具有更高的分子量26。近年來，利用合成生物學(xué)技術(shù)在模式菌株中合成可降解材料的研究已廣泛開展，例如以惡臭假單胞菌為宿主生產(chǎn) PHA 的工程菌。Wang 等27通過基因敲除和相關(guān)基因表達(dá)，構(gòu)建了一系列工程菌，為 PHA 的生產(chǎn)提供了平臺(tái)。

14、Liu 等28通過對(duì)惡臭假單胞菌 -氧化途徑進(jìn)行改造，提高了 PHA 的產(chǎn)量。Li 等29使用寡聚接頭介導(dǎo)的組裝方法，構(gòu)建了一系列不同拷貝數(shù)的質(zhì)粒，經(jīng)過高通量 篩選，最高可以積累細(xì)胞干重 92%的聚羥基丁酸酯。這些合成生物學(xué)研究為今后其他生物可降解材料的生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)?？山到馍锊牧系拈_發(fā)與應(yīng)用，將在一定程度上解決難降解塑料造成的環(huán)境問題。合成生物學(xué)技術(shù)的利用突破了傳統(tǒng)材料合成技術(shù)的局限，提高了材料的質(zhì)量，初步實(shí)現(xiàn)了可再生功能。食品質(zhì)量監(jiān)控新技術(shù)隨著人口快速增長，如何提供健康、安全、營養(yǎng)和充足的高質(zhì)量食品，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。目前，我國已經(jīng)制定和實(shí)施了嚴(yán)格法規(guī)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，

15、以確保食品質(zhì)量安全。保證食品質(zhì)量安全尤其重要，同樣也是困擾食品加工業(yè)的一個(gè)重要問題，特別是微生物污染。傳統(tǒng)檢測微生物污染的方法主要包括高效液相色譜法、氣相色譜法和離子共振等方法30。雖然這些方法具有較高的靈敏度和良好的重復(fù)性，但通常這些儀器價(jià)格昂貴，樣品處理往往步驟多耗時(shí)長，需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，不適合用來現(xiàn)場快速檢測產(chǎn)品質(zhì)量。因此，開發(fā)高靈敏度、快速檢測、操作簡便和可以連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的方法尤其重要。合成生物學(xué)概念催生了新的生物傳感器檢測方法。通過與合成生物學(xué)的結(jié)合，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)源頭和生產(chǎn)過程中食品質(zhì)量的快速檢測31。Zhao 等32開發(fā)了一種基于人工細(xì)胞的生物傳感器，通過合成含有熒光染料的

16、小單層脂質(zhì)體，并固定在多孔二氧化硅內(nèi)，可快速檢測毒蛋白李斯特菌素，其響應(yīng)時(shí)間較短，同時(shí)具有較高穩(wěn)定性。Quintero 等33 運(yùn)用合成生物學(xué)方法組裝新的蛋白質(zhì)促進(jìn)劑，開發(fā)的生物傳感器可用來特異性檢測鐵離子。在食品生產(chǎn)加工過程中常常會(huì)被霉菌污染，其中霉菌毒素是多種霉菌產(chǎn)生的有毒次生代謝產(chǎn)物，如果人食用了被污染的食品將對(duì)人體健康造成嚴(yán)重傷害34。黃曲霉毒素 B1 是毒性最強(qiáng)的霉菌毒素之一，在食品和農(nóng)產(chǎn)品檢測中，時(shí)常發(fā)現(xiàn)黃曲霉毒素 B1 的存在，尤其是在花生、玉米、飼料及谷物作物中。利用合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建的基于適配體的生物傳感技術(shù)可以快速檢測食品中的黃曲霉毒素。Chen 等35建立了一種快速、靈敏

17、、特異檢測黃曲霉毒素 B1 的熒光檢測方法，將熒光修飾的適配體與淬滅基團(tuán)互補(bǔ) DNA 進(jìn)行雜交，熒光團(tuán)和淬滅劑接近時(shí)熒光淬滅，當(dāng)黃曲霉毒素 B1 存在時(shí)，其與適配體形成復(fù)合物，同時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變釋放出 cDNA 使適配體恢復(fù)熒光，通過監(jiān)測熒光強(qiáng)度從而判定黃曲霉毒素 B1 的濃度，檢測范圍在5100ngL-1，最低檢出限為1.6ngL-1，將該方法應(yīng)用于嬰幼兒米粉的檢測中， 取得了良好的效果。Sun 等36建立了一種基于適配體表面等離子體共振檢測黃曲霉毒素 B1 的簡單熒光方法。該熒光法對(duì)黃曲霉毒素 B1 具有較好的特異性，可用于啤酒、紅酒等復(fù)雜樣品中黃曲霉毒素 B1 的檢測。食品質(zhì)量的檢測是保證

18、食品質(zhì)量的重要手段，合成生物學(xué)方法的應(yīng)用將會(huì)有利于新型高效生物傳感器的研發(fā)，為食品安全提供保障。合成生物學(xué)技術(shù)在食品中應(yīng)用的展望近年來，合成生物學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，在食品行業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)都得到了應(yīng)用。利用合成生物學(xué)技術(shù)可以使軟飲料、冰淇淋、巧克力或薯?xiàng)l等食品作為“健康”食品銷售， 為食品行業(yè)中存在的問題提供新的解決方案。如“人造肉”的出現(xiàn)使全球快餐界掀起了一股熱潮，“人造肉”中大豆植物根部提取的血紅素的使用，幾乎沒人能分辨出肉中的差別，實(shí)現(xiàn)了合成生物技術(shù)在創(chuàng)新食品中的應(yīng)用。麻省理工科技評(píng)論將“人造肉”評(píng)選為 2018 年“全球十大突破性技術(shù)”之一，英國衛(wèi)報(bào)援引分析師的話稱，預(yù)計(jì)未來 5 年“人造肉”行

19、業(yè)的規(guī)模將增至 100 億美元。合成生物學(xué)給人們的生活帶來很多便利，但由于倫理道德和安全性等因素限制了合 成生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。盡管如此，隨著合成生物學(xué)技術(shù)在食品行業(yè)中的優(yōu)化和改進(jìn)， 以及相應(yīng)食品監(jiān)管制度與政策法規(guī)的不斷完善，未來將會(huì)有更多營養(yǎng)、健康和美味 的食品出現(xiàn)在人們的生活中，合成生物學(xué)對(duì)國家安全、食品與能源供應(yīng)、公共健康 和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等也將具有潛在的效益。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】1 WAY J C，COLLINS J J，KEASLING J D，et al. Integrating biological redesign ： where synthetic biology came from

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