甲醇作 “原料” 高效產(chǎn)蛋白

陳曦

甲醇蛋白是以甲醇為碳源，通過培養(yǎng)微生物生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白，具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定可控等優(yōu)點(diǎn)。甲醇蛋白也被認(rèn)為是食用和飼用蛋白的有效替代品。

近日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所吳信研究員帶領(lǐng)的營(yíng)養(yǎng)資源合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)，在“蛋白飼料生物工程制造前沿技術(shù)及新產(chǎn)品創(chuàng)制”項(xiàng)目的支持下，在一碳甲醇原料生物合成單細(xì)胞蛋白方面取得了新突破。該研究為解析畢赤酵母碳氮源高效利用以及甲醇—蛋白定向合成的調(diào)控機(jī)制提供了新策略，同時(shí)為突破甲醇蛋白生物制造經(jīng)濟(jì)閾值奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊《微生物細(xì)胞工廠》和《生物燃料與生物產(chǎn)品技術(shù)》上。

目前，我國(guó)大宗農(nóng)產(chǎn)品對(duì)外依存度依然較高，其中，大豆等蛋白質(zhì)原料的對(duì)外依存度已連續(xù)十多年超過80%。營(yíng)養(yǎng)資源高度依賴進(jìn)口的局面嚴(yán)重威脅了我國(guó)食品供給安全。尋求新的蛋白質(zhì)資源，代替大豆等作物蛋白迫在眉睫。

“單細(xì)胞蛋白被視為食品及飼料蛋白生產(chǎn)的重要替代品。該蛋白是通過微生物發(fā)酵的方式生產(chǎn)的菌體蛋白。”吳信介紹，菌體中的蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%～85%，遠(yuǎn)高于天然植物中的蛋白質(zhì)含量。同時(shí)，菌體的氨基酸組分齊全，可利用率高，還含有維生素、無機(jī)鹽、脂肪和糖類等營(yíng)養(yǎng)成分，可以部分代替魚粉、大豆、肉類及脫脂奶粉等。

與傳統(tǒng)種植方式獲取蛋白相比，單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)不受自然環(huán)境影響，且產(chǎn)率較高。在產(chǎn)量相同的情況下，單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)用地使用效率比農(nóng)作物種植用地使用效率提高1000倍以上。

單細(xì)胞蛋白可由制糖、造紙、淀粉生產(chǎn)、木材加工等產(chǎn)生的副產(chǎn)物來發(fā)酵生產(chǎn)，但這些副產(chǎn)物的供應(yīng)不穩(wěn)定，使得單細(xì)胞蛋白產(chǎn)量較低。相較之下，甲醇蛋白則具有廣闊的工業(yè)化生產(chǎn)前景。“在一系列一碳化合物中，甲醇的來源豐富且廉價(jià)，更容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存，是化學(xué)工業(yè)和生物制造的理想一碳資源。”吳信介紹，甲醇還具有高度的還原性，可以為甲醇蛋白的生物合成提供更多驅(qū)動(dòng)力。

此外，我國(guó)的煤炭資源較為豐富，以煤炭副產(chǎn)物甲醇作為碳源生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，不僅碳源供應(yīng)穩(wěn)定，而且還可通過微生物對(duì)一碳化合物的同化降低碳排放，有效推動(dòng)飼料工業(yè)原料資源供給和煤炭副產(chǎn)物高效清潔利用。

目前，常見的能夠以甲醇為碳源合成甲醇蛋白的微生物包括畢赤酵母、谷氨酸棒狀桿菌等。在畢赤酵母的甲醇代謝途徑中，甲醇首先會(huì)被氧化為甲醛。一部分甲醛將進(jìn)入異化途徑，進(jìn)一步被氧化為二氧化碳和水；另一部分甲醛進(jìn)入同化途徑，經(jīng)由單磷酸木糖途徑進(jìn)入中心代謝，促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)代謝。

“甲醇代謝途徑復(fù)雜，進(jìn)入異化途徑的比例難以調(diào)控。并且甲醇本身具有生物毒性，造成的碳損失往往超過原料整體利用率的20%。無法實(shí)現(xiàn)甲醇代謝流高效定向轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，是目前制約甲醇蛋白合成成本進(jìn)一步降低的主要技術(shù)瓶頸。”吳信說。

為解決上述問題，團(tuán)隊(duì)從全國(guó)多個(gè)省份的葡萄園、森林、沼澤地等采集了2萬多份樣本，從中篩選獲得了可以高效利用多種糖源和低元醇等碳源的菌株，并以野生型畢赤酵母菌株為出發(fā)菌株，利用適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化獲得了一株甲醇利用率高、耐高溫的巴斯德畢赤酵母菌株。轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表型分析顯示，這一菌株的同化途徑和異化途徑的通量均有所減少，酵母細(xì)胞達(dá)到新的代謝平衡，實(shí)現(xiàn)了代謝途徑中碳損失的減少。

團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁重塑是巴斯德畢赤酵母細(xì)胞在進(jìn)化過程中響應(yīng)高溫脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。研究人員通過強(qiáng)化氮代謝途徑關(guān)鍵基因和削弱細(xì)胞壁合成，來提高獲得的巴斯德畢赤酵母菌株的蛋白質(zhì)含量，最終在33℃條件下的中試規(guī)模補(bǔ)料分批培養(yǎng)中，實(shí)現(xiàn)以甲醇為唯一碳源高水平生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白。

從20世紀(jì)60年代起，世界上就有不少國(guó)家開始進(jìn)行甲醇蛋白的研究與開發(fā)生產(chǎn)。至20世紀(jì)70年代后期，全球從事該項(xiàng)研究工作的單位達(dá)到近千家。我國(guó)對(duì)甲醇蛋白的研究并不算晚，早在1984年，我國(guó)就把甲醇蛋白列為飼料工業(yè)發(fā)展的重要產(chǎn)品之一。但目前，國(guó)內(nèi)甲醇蛋白行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)程度仍相對(duì)較低，大部分企業(yè)技術(shù)水平有限，產(chǎn)品質(zhì)量差異較大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。

“早些年，我們的設(shè)備裝置比較落后，技術(shù)難以突破，缺乏優(yōu)良的野生菌種資源和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。這些問題導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，在一定程度上限制了我國(guó)甲醇蛋白的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。”中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員高樂說。

此次研究創(chuàng)制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且可使甲醇蛋白高效合成的巴斯德畢赤酵母菌株，粗蛋白含量達(dá)到67.2％，甲醇—蛋白轉(zhuǎn)化效率達(dá)到理論值的92％，為以甲醇為唯一碳源生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的巴斯德畢赤酵母細(xì)胞工廠。目前，研究團(tuán)隊(duì)已將這項(xiàng)成果嘗試投入應(yīng)用，在企業(yè)實(shí)現(xiàn)了萬噸級(jí)工業(yè)化示范。

“未來我們還將引入人工智能系統(tǒng)，加快現(xiàn)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)菌株的迭代升級(jí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)菌株—工業(yè)原料—發(fā)酵工藝/設(shè)備高度擬合，進(jìn)一步突破工業(yè)菌株的生產(chǎn)閾值。”吳信表示，提升甲醇蛋白的生理學(xué)功能和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，拓展以甲醇蛋白為核心的衍生功能蛋白市場(chǎng)，是未來甲醇蛋白發(fā)展的兩個(gè)重要方向。這能夠進(jìn)一步降低甲醇蛋白的生產(chǎn)成本，提高甲醇蛋白的附加值，促進(jìn)甲醇蛋白的規(guī)模化生產(chǎn)。