2024年生命与健康领域年度盘点——合成生物学在未来食品领域的发展趋势与展望

    伴随全球气候变化、环境污染以及人口持续增长，实现安全、营养且可持续的食品供应面临前所未有的挑战，也对未来的食品生产、供应方式及其功能开发提出了更多的要求。“十四五”规划以来，我国明确提出了“树立大食物观”、“构建多元化食物供给体系”、“发展未来食品制造”的目标，旨在推动包括生物技术在内的战略性新兴产业的发展，构建新的经济增长点。因此，需要全面、多渠道地开发食品资源，从植物、动物到微生物中获取热量和蛋白质，探索新的蛋白质来源、食品原料和工业配料。通过合成生物学技术，构建能够适配食品工业生产的细胞工厂，可以有效地将可再生原料转化为关键的食品成分、功能性食品添加剂及营养化学品，成为解决食品工业挑战的重要途径之一。本文重点梳理了全球合成生物学在未来食品领域的战略规划、科技布局、监管审批、研发、产业发展等方面的最新进展，展望了未来该领域在技术创新、产业应用等方面的发展前景。
1　战略规划与科技布局
    未来食品领域的快速发展正在吸引全球科研机构和政府政策制定者的广泛关注。许多国家已将合成生物学纳入战略优先领域，通过科研资金投入、政策支持和更新监审程序等方式支持该领域的发展。
1.1　更加重视利用合成生物学助力未来食品的创新应用
    美国正在通过政策支持推动生物技术与生物制造发展，以实现营养改善和可持续发展。白宫科技政策办公室(OSTP) 与卫生与公共服务部(HHS)、能源部(DOE)、农业部(USDA)、商务部(DOC) 和国家科学基金会(NSF) 联合发布《生物技术与生物制造宏大目标》(Bold Goals for U.S. Biotechnology and Biomanufacturing)，提出了未来5~20 年内需要实现的相关社会目标[1]，其中，USDA 负责的“食品和农业创新”目标中就明确提出了“开发食品和饲料的新来源，提高食品中的营养含量”。美国《2024年合成生物学推进法案》(Synthetic Biology Advancement Act of 2024) 提出将成立国家合成生物学中心，促进食品和农业领域的创新[2]。美国工程生物学研究联盟(EBRC) 也在2024 年发布了第6 份路线图报告——《空间健康的工程生物学：创新研究路线图》(Engineering Biology for Space Health: An Innovative Research Roadmap)[3]，提出的3项技术主题就包括利用工程生物学创新方法提供更丰富的营养以适应太空环境，其目标是实现按需生产微量和宏量营养素、优化农作物生产、提高食品的可口性和稳定性( 表1)。

    我国以大食物观为指导，推动食品科技发展。科技部“面向2035 愿景规划食品战略研究”中提出了我国食品科技的发展愿景：要成为全球食品科技创新中心，率先进入创新型国家前列[6]。2024 年11 月，我国国家卫生健康委介绍了关于食品安全和营养助力健康中国建设有关情况：自“十四五”以来，我国共审查批准“三新食品”270 个，包括新食品原料、食品添加剂新品种和食品相关产品的新品种[7]。
1.2　支持合成生物学在未来食品领域的研发活动与基础设施建设
    全球各国正积极支持未来食品与替代蛋白的研究，通过实施专项计划、建设研究平台、完善数据中心及开展战略研讨等，加速该领域的技术突破与产业发展。美国国防部(DoD) 于2024 年启动“分布式生物工业制造计划” (DBIMP)，总投资6 000万美元，资助34 项研究，其中7 项涉及食品供应、食品原料相关生产设施。英国政府为响应其《工程生物学的国家愿景》，于2024 年2 月宣布支持6 个工程生物学任务中心。其中，由帝国理工学院牵头建设的微生物食品工程生物学中心获得1 200 万英镑资助，专注替代蛋白创新，开发更有利于环境且具有气候韧性的食品[8]。同年8 月，英国生物技术与生物科学研究理事会(BBSRC) 和创新英国(Innovate UK) 共同出资1 500 万英镑，由利兹大学牵头建设英国国家替代蛋白创新中心(NAPIC)[9]。该中心联合多个研究机构，覆盖整个替代蛋白供应链，促进植物蛋白质、实验室培育的肉类和富含蛋白质的藻类等多元化蛋白质来源的创新。欧盟在循环生物基欧洲联合计划(CBE JU) 框架下，2024 年共资助31 项新项目，其中4 项与食品领域有关，包括将食品垃圾转化为有价值的化学品，利用生物精炼厂生产生物基食品等。此外，贝索斯地球基金会(BEF) 在2024 年投入9 000 万美元，与北卡罗来纳州立大学[10]、英国帝国理工学院[11]、新加坡国立大学[12] 合作成立3 个可持续蛋白质研究中心，聚焦开发既健康美味又经济环保的替代食品，如植物蛋白质以及混合蛋白质产品。
    我国高度重视未来食品和替代蛋白的研究与应用。中国工程院学部通过“大食物观”指导下的替代蛋白产业发展战略研究，系统梳理了我国替代蛋白资源挖掘、技术应用、产业链条分布以及安全评估的现状和水平，为未来我国高质量、可持续的蛋白质资源发展提供了战略路径。同时，我国一些高校和研究院所在该领域也有所布局，江南大学早在2019 年就成立未来食品科学中心[13]，搭建了“食品合成生物学中试实验室”和“食品大数据中心”等研究平台，通过多技术体系协同发展助力未来食品的发展。
1.3　新型食品的监管审批不断更新完善
    细胞为基础的新型肉类生产正在迅速发展，被认为是传统肉类生产的可持续替代品。然而，细胞培养食品快速商业化的同时也引发了业界对于食品安全、环境问题、营养含量等问题的一系列讨论，细胞培养食品的监管审批也成为关注热点。
    作为全球首个批准销售细胞培养肉的国家，新加坡于2020 年12 月批准了美国初创企业Eat Just出售其实验室培育的鸡肉。2024 年3 月，新加坡食品局(SFA) 发布特定食品及其上市前审批的监管规定草案，明确在新加坡销售新型食品的责任，要求企业在产品上市前获得预先批准。同时，SFA 还发布了《食品安全与保障法案》(Consultations on Food Safety and Security Bill，FSSB)，提出新增“特定食品”类别。此类食品将受SFA 监管监督，并在进口或在新加坡销售之前必须满足额外的监管要求[14]。
    美国正在不断完善细胞培养肉的市场准入机制。2022 年11 月，美国食品药品管理局(FDA) 正式批准Upside Foods 的一种用动物细胞培养的肉制品，该产品成为首个获FDA批准的细胞培养肉产品。FDA 对其上市前咨询涵盖生产过程、细胞系及细胞库的评估、生产条件控制以及所有生产组件和资源投入的全面审查。2024 年5 月，美国环境保护署(EPA)、FDA 和农业部(USDA) 联合发布《生物技术管理协调框架：生物技术监管协调框架下的监管改革计划》(The Coordinated Framework for the Regulation of Biotechnology: Plan for Regulatory Reform under the Coordinated Framework for the Regulation of Biotechnology)[15]，聚焦生物技术产品的5 个关键领域，其中与食品领域有关的举措包括：精简更新生物工程食品清单；建立粮食作物管理机制，避免基因编辑植物/ 粮食未经授权进入食品供应链；为培养动物细胞食品提供监管指导。
    我国国家食品风险评估中心于2024 年9 月发布《关于完善“三新食品”安全性评价资料要求的通知》[16]，针对涉及遗传修饰微生物的产品提出规范申请要求，作为合成生物学的主要生产载体，遗传修饰微生物生产的食品需要接受规范和统一的评审流程，包括外源基因残留检测；遗传修饰微生物残留检测；环境风险控制措施及效果。这一制度为未来食品的安全性保障提供了重要基础。
2　重要研发进展
    随着合成生物学的发展，食品工业正在发生着巨大的变化。食品科学与合成生物学的有效结合，既是解决食品安全与营养存在问题的重要技术，也是克服传统食品技术带来的不可持续性问题的重要手段。将合成生物学技术应用于未来食品生产，有望在提高资源转化效率的同时，摆脱传统农牧业带来的环境负担[17]。
2.1　探索食品新资源的多样性
    动物细胞培养肉类和奶类的制备有望作为传统畜牧业的有效补充，不仅有利于促进环境可持续性和农业碳减排，还为全球食品供应开辟了新路径。研究人员通过基因改造植物实现了人乳低聚糖的生产，这种改造后的植物可以产生11 种已知的人乳低聚糖，未来或将带来更有营养和更便宜的婴儿配方奶粉[18] ；利用大米作为细胞培养牛肉的支架，将牛肉肌肉与脂肪细胞在大米上培养，创造出了一种可食用的、带有“坚果味”的大米- 牛肉混合物，不仅增加了大米的营养价值，使其蛋白质和脂肪含量比普通大米更高，而且减少了对养殖牛肉的需求进而降低了环境压力[19] ；建立了猪胚胎多能干细胞向肌肉无血清定向诱导分化的技术体系，并结合无动物源成分的3D 支架，首次实现猪胚胎多能干细胞来源动物细胞培养肉的制备[20]；开发出了新型的、基于蓝细菌的、具有与真实肉类相似质地和口感的蛋白质，为植物基人造肉的绿色可持续供应提供了新方法[21]。
    此外，新型脂质来源，例如植物营养组织和产油微生物，为补充传统动植物油脂提供了新途径。研究人员正在通过代谢工程等手段，在植物和微生物中改进油脂生产技术，以产出更多高附加值的食品用油脂[22]。
2.2　推动食品精准营养与个性化制造
    随着基因工程和微生物合成技术的进步，定制化生产特定的食品功能性成分成为可能，同时，还可以支持开发个性化食品，如根据个人基因组和代谢特征，生产具有特定营养功能的食品，从而改善健康状况并减少疾病风险。例如，利用合成生物学技术已经实现功能性成分的生产。研究人员通过代谢工程和动态调控，利用甘油作为低成本原料，在谷氨酸棒杆菌中开发了高效的γ- 氨基丁酸(GABA)合成途径，最终工程菌株的GABA 产量超过45 g/L，为高效食品营养分子的制造提供了新工具[23]。通过微生物合成稀有天然色素也取得了突破，有研究团队利用色氨酸为原料，对大肠杆菌进行工程化改造，实现了泰紫色靛蓝燃料的生产[24]。此外，合成生物学的进步使得通过工程微生物合成风味和颜色成为可能。研究人员开发了一个基于人工智能的甜味剂快速筛选平台ChemSweet，通过整合模型，该平台能够对候选甜味剂进行全周期、多维度的评估，预判候选分子在加工过程中的生物安全性和稳定性，为食品行业提供了更精准、高效的筛选工具[25]。
3　产业发展格局
    在全球经济遭遇寒冬之际，世界主要国家和地区依然持续投资合成生物学产业。随着对可持续、健康和营养食品生产需求的不断增长，合成生物学在未来食品领域已成为受关注的产业应用方向之一。
3.1　未来食品领域的合成生物学初创企业
    通过对2000 年以后成立的92 家未来食品领域的合成生物学企业的统计发现，大多数初创企业成立于2013 年之后，企业主要的研发方向包括基础层与应用层，与合成生物学产业的整体分类趋势相似。其中，基础层企业多数属于平台型企业，主要是开发酶工程、蛋白质设计、生物合成的技术平台，为新型食品的研发提供支撑；应用层企业主要包括了开发细胞培养肉、微生物发酵蛋白质等替代蛋白产品等的新型食品企业，利用合成生物技术生产开发各类食品添加剂和配料等的企业，基于合成与发酵技术研发和生产特定功能食品的企业，以及其他一些开发食品保鲜技术、食品安全检测技术等的企业( 图1)。

[参  考  文  献]