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合成生物学在食品领域的应用

泰然健康网
2024-12-11 11:08

1、合成生物学在食品领域的应用李宏彪; 张国强; 周景文【期刊名称】生物产业技术【年(卷),期】2019(000)004【总页数】6 页(P5-10)【关键词】合成生物学; 食品领域; 基因编辑; 生物系统【作者】李宏彪; 张国强; 周景文【作者单位】江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室无锡 214122【正文语种】中文【中图分类】Q819合成生物学的发展合成生物学（synthetic biology）作为跨领域新兴学科，是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科的交叉。合成生物学通过系统设计代谢途径，人工合成组装大量基因从而构建细胞工厂或体外合成体系，

2、理论上可以合成任意化合物，将彻底改变药物制造、工业化学和材料等领域。生物系统是一个复杂和不可预测的整体，通过合成生物学技术与策略对核心分子部件不断重新优化，可增强现有系统的生物功能，模拟和构建自然界中不存在的生物成分，有助于创建新的生物功能和系统1-3。在过去十几年里，合成生物学方法已被应用于生物燃料4、医药和环境保护5等领域。随着合成生物学与不同领域学科的交叉，不仅促进了各行业发展，也带来了合成生物前沿技术的不断创新。合成生物学的广泛应用，对生物产业创新和经济快速增长等也有重要意义。合成生物学改变了过去的单基因转移技术，开创了综合集成的基因链乃至整个基因蓝图设计，实现了人工生物系统的设计与制

3、造。合成生物学研究是以基因组技术为基础，利用工程化的策略，采用标准化的生物元件，构建通用型的生物学模块，设计组装具有特定新功能的人工生命系统。目前，合成生物学的主流研究方向是发展工程化的生物合成体系，主要包括新的生物元件、组件和系统的设计构建以及对现有的、天然的生物系统的重新设计改良等。为了实现快速的途径组装和细胞内基因编辑，构建高效合成生物学体系，科研工作者开发优化了一系列基因编辑技术和重组技术。2008 年，Engler 等6设计了 Golden Gate 组装方法，利用特殊的 IIS 类限制性内切酶，在其识别位点外切割 DNA，产生可变的黏性末端，实现多片段无痕连接。2009 年，Gib

4、son 等7开发了 Gibson 组装多片段拼接方法，通过对带有相邻 DNA 片段重叠区载体和若干片段线性化，连接酶和聚合酶的协同作用，将多个 DNA 片段进行无痕组装。2012 年，Jinek 等8证实了基于细菌基因组规律成簇间隔短回文重复序列（clustered regulatory interspaced short palindromic repeat, CRISPR）的 Cas9 可以和 DNA 特定序列位点结合，对其进行剪切，进而开发出新型 CRISPR-Cas9 基因编辑系统，并在合成生物学中得到广泛应用。高效基因编辑与改造技术的发展加速了工程细胞的优化

5、以及基因簇定向改造，也促进了合成生物学在不同领域和行业的发展。合成生物学在食品领域的应用改善食品营养与风味近年来，合成生物学在医药、农业和化妆品等领域已经得到广泛的应用，目前已扩展到食品产业。随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们对食品安全、营养和风味等愈加重视。在保证食品安全的前提下，食品行业产品营养和风味需要创新，从而迎合人们的口味。此外，还需要满足人们对健康饮食的需求。例如，目前肠道疾病发病率逐年攀升，这与正常肠道微生物菌群被破坏有密切关系9。从膳食的角度看，益生菌是由活体微生物组成的膳食补充剂，当摄入足够量时对人体健康有益，应用合成生物学方法可以实现肠道微生物功能的靶向调控。Sanc

6、hez 等10 将益生菌 Bacillus cereus CH 鞭毛蛋白基因在乳酸乳球菌中表达，用乳链菌肽诱导 6h 后产生鞭毛蛋白，增强了乳球菌在黏蛋白聚苯乙烯板上的黏附能力，同时抑制了大肠杆菌和肠炎沙门氏菌的黏附。除了利用合成生物学策略改造益生菌帮助人体对抗致病菌、免疫调节和维持营养物质代谢外，科研工作者可以利用合成生物学技术来生产低热量的甜味剂。担心食品中添加的糖会带来过多热量，消费者开始寻找低热量甜味食品。稀有糖是自然界中存在但含量极少的一类单糖及衍生物，具有重要生理功能，可作为潜在的抗糖尿病和抗肥胖食品添加剂，但稀有糖的生产成本往往高于传统糖，阻碍了稀有糖的广泛使用11-12。其中，

7、天然甜味剂塔格糖的热量就不及蔗糖的一半，合成生物学方法的应用也可降低其生产成本。Liu 等13以酿酒酵母为底盘，基于合成生物学策略，通过敲除半乳糖激酶基因 GAL1，异源表达木糖还原酶和半乳糖脱氢酶并对它们的表达进行优化，最终使塔格糖产量达到 37.69gL-1。L-山梨糖同样可以代替传统糖，Kim 等14在大肠杆菌中表达来源于氧化葡萄糖杆菌 G624 的山梨醇脱氢酶，应用固定化酶技术成功将 D-山梨醇转化为 L-山梨糖，最终转化率为 62.8%。另外，甘草酸也可作为甜味剂和调味添加剂，其甜度是蔗糖的 3050 倍15。Zhu 等16首先在酿酒酵母中整合了 -香树脂醇合成途径，同时异源表达氧化

8、酶CYP450s（Uni25647 和 CYP72A63）和还原酶（Cytochrome P450 reductase, CPR），实现了甘草次酸的合成，然后将甘草次酸合成途径进行表达优化，最后通过平衡电子转移效率使甘草次酸产量高达（18.9f2.0） mg L-1。颜色也是食品感观评价的重要标志，色素作为一种食品着色剂，广泛应用于食品行业，在食品生产中使用的色素主要分为天然色素和合成色素。目前，消费者更喜欢选择含有天然着色剂的食品，因为合成色素在食用后可能会对人体产生副作用17。天然色素主要是从植物中提取，但植物生长周期较长，天然色素在植物中合成的量也受地理气候等因素影响，且提取过程复杂，

9、生产成本高，不适合大规模生产18。合成生物学的发展为其提供了解决方案。Xie 等19设计构建一套启动子强度表征系统，通过类胡萝卜素颜色变化来判断启动子强度，然后用筛选到的强启动子对类胡萝卜素合成途径基因过表达，弱启动子用来下调分支竞争途径基因的表达，进而增强底物流向目标代谢途径，最终获得了高产类胡萝卜素的工程酵母菌，类胡萝卜素产量达到 1156mgL-1。合成生物学应用到食品工业中，可以生产高附加值产品，也为设计新的或改进现有食品及其制造工艺提供了巨大的机会20。在日益重视健康的社会中，合成生物学将在改善食品营养、风味以及安全性方面得到更大的应用。食物废物的高效处理根据联合国粮食及农

10、业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）的数据，全球约有三分之一的粮食被浪费，因此开发高效的食品加工和食品废物处理技术有利于解决粮食浪费问题，提高粮食利用率。食品废物是指在食品生产加工过程中产生的剩余物，主要的处理方法是填埋、焚化和厌氧消化等。在垃圾的收集和运输过程中食品废物容易腐败，降低了其贮存、输送、粉碎和分离的效率。在焚烧过程中需要引入水和氯，导致恶臭化合物的排放，对垃圾填埋场渗滤液的处理产生不利影响21。运用合成生物学技术，可以定向设计改造微生物，将食品废物转化为无害物质或可用能源（如甲烷、乙醇和

11、电力等）。此外，合成生物学在处理食物废物方面还具有许多潜在价值，如可以利用生物系统来处理环境中的食品污染物包括重金属、抗生素和杀虫剂等难降解的环境污染物。Mattozzi 等22通过合成生物学方法设计了一种假单胞菌来降解有机磷杀虫剂，通过多种酶组合表达，工程菌株可在 48h 内有效矿化对氧磷，并将对氧磷作为唯一碳源和磷源。Zhu 等23构建的微生物工程菌，可以实现将二氧化碳和营养液转化为生物能源的过程，还研究了农作物从光截获到碳水化合物合成过程中光合作用转导过程，以及合成生物学等学科在开发高产种质方面的应用前景。可降解食品包装材料材料是人类社会的物质基础，是国民经济的支柱产业。在食品的制造

12、加工过程中，包装材料同样是食品加工的重要组成部分，以保持食品本身的营养和延长保质期。目前，食品包装主要使用的是一次性难降解高分子材料，主要由聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等高分子化合物制成。食品包装材料被使用后，通常会被直接丢弃，如果散落在市区、风景区或水体区等，不仅会造成视觉污染，对生态环境也会造成潜在危害。针对塑料的使用，世界各国相继发布限制使用塑料袋的法规，2007 年，我国就已发布了“限塑令”。目前，韩国已全面禁止大型超市使用一次性塑料袋，欧盟议会也已经通过“史上最严禁塑令”提案。此外，石油是生产高分子材料的原料，我国大部分石油进口来自中东地区，石油供应安全存在诸多风险，直接影响经济

13、安全和社会稳定24。因此，发展绿色可持续的多功能材料势在必行。合成生物学的出现为可降解材料的生产提供了解决方案。聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate,PHA）是一类具有不同结构的生物多聚物，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 可以通过化学方法或生物方法合成，与化学方法相比，生物合成的 PHA 具有更高的分子量26。近年来，利用合成生物学技术在模式菌株中合成可降解材料的研究已广泛开展，例如以恶臭假单胞菌为宿主生产 PHA 的工程菌。Wang 等27通过基因敲除和相关基因表达，构建了一系列工程菌，为 PHA 的生产提供了平台。

14、Liu 等28通过对恶臭假单胞菌 -氧化途径进行改造，提高了 PHA 的产量。Li 等29使用寡聚接头介导的组装方法，构建了一系列不同拷贝数的质粒，经过高通量筛选，最高可以积累细胞干重 92%的聚羟基丁酸酯。这些合成生物学研究为今后其他生物可降解材料的生产提供了基础。可降解生物材料的开发与应用，将在一定程度上解决难降解塑料造成的环境问题。合成生物学技术的利用突破了传统材料合成技术的局限，提高了材料的质量，初步实现了可再生功能。食品质量监控新技术随着人口快速增长，如何提供健康、安全、营养和充足的高质量食品，已经成为农业与食品科学面临的重大挑战之一。目前，我国已经制定和实施了严格法规和质量标准，

15、以确保食品质量安全。保证食品质量安全尤其重要，同样也是困扰食品加工业的一个重要问题，特别是微生物污染。传统检测微生物污染的方法主要包括高效液相色谱法、气相色谱法和离子共振等方法30。虽然这些方法具有较高的灵敏度和良好的重复性，但通常这些仪器价格昂贵，样品处理往往步骤多耗时长，需要在实验室中进行，不适合用来现场快速检测产品质量。因此，开发高灵敏度、快速检测、操作简便和可以连续动态监测的方法尤其重要。合成生物学概念催生了新的生物传感器检测方法。通过与合成生物学的结合，已经可以实现在生产源头和生产过程中食品质量的快速检测31。Zhao 等32开发了一种基于人工细胞的生物传感器，通过合成含有荧光染料的

16、小单层脂质体，并固定在多孔二氧化硅内，可快速检测毒蛋白李斯特菌素，其响应时间较短，同时具有较高稳定性。Quintero 等33 运用合成生物学方法组装新的蛋白质促进剂，开发的生物传感器可用来特异性检测铁离子。在食品生产加工过程中常常会被霉菌污染，其中霉菌毒素是多种霉菌产生的有毒次生代谢产物，如果人食用了被污染的食品将对人体健康造成严重伤害34。黄曲霉毒素 B1 是毒性最强的霉菌毒素之一，在食品和农产品检测中，时常发现黄曲霉毒素 B1 的存在，尤其是在花生、玉米、饲料及谷物作物中。利用合成生物学技术构建的基于适配体的生物传感技术可以快速检测食品中的黄曲霉毒素。Chen 等35建立了一种快速、灵敏

17、、特异检测黄曲霉毒素 B1 的荧光检测方法，将荧光修饰的适配体与淬灭基团互补 DNA 进行杂交，荧光团和淬灭剂接近时荧光淬灭，当黄曲霉毒素 B1 存在时，其与适配体形成复合物，同时结构发生改变释放出 cDNA 使适配体恢复荧光，通过监测荧光强度从而判定黄曲霉毒素 B1 的浓度，检测范围在5100ngL-1，最低检出限为1.6ngL-1，将该方法应用于婴幼儿米粉的检测中，取得了良好的效果。Sun 等36建立了一种基于适配体表面等离子体共振检测黄曲霉毒素 B1 的简单荧光方法。该荧光法对黄曲霉毒素 B1 具有较好的特异性，可用于啤酒、红酒等复杂样品中黄曲霉毒素 B1 的检测。食品质量的检测是保证

18、食品质量的重要手段，合成生物学方法的应用将会有利于新型高效生物传感器的研发，为食品安全提供保障。合成生物学技术在食品中应用的展望近年来，合成生物学技术迅猛发展，在食品行业各个环节都得到了应用。利用合成生物学技术可以使软饮料、冰淇淋、巧克力或薯条等食品作为“健康”食品销售，为食品行业中存在的问题提供新的解决方案。如“人造肉”的出现使全球快餐界掀起了一股热潮，“人造肉”中大豆植物根部提取的血红素的使用，几乎没人能分辨出肉中的差别，实现了合成生物技术在创新食品中的应用。麻省理工科技评论将“人造肉”评选为 2018 年“全球十大突破性技术”之一，英国卫报援引分析师的话称，预计未来 5 年“人造肉”行

19、业的规模将增至 100 亿美元。合成生物学给人们的生活带来很多便利，但由于伦理道德和安全性等因素限制了合成生物学技术的应用。尽管如此，随着合成生物学技术在食品行业中的优化和改进，以及相应食品监管制度与政策法规的不断完善，未来将会有更多营养、健康和美味的食品出现在人们的生活中，合成生物学对国家安全、食品与能源供应、公共健康和经济发展等也将具有潜在的效益。参考文献【相关文献】1 WAY J C，COLLINS J J，KEASLING J D，et al. Integrating biological redesign ： where synthetic biology came from

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