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2022 年 10 月 16 日是第 42 個世界糧食日 (World Food Day)，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織 (FAO) 將 2022 年的全球活動主題確定為：「不讓任何人掉隊。更好生產(chǎn)、更好營養(yǎng)、更好環(huán)境、更好生活?！箵?jù) FAO 今年最新報告顯示，全球仍有三分之一的人口面臨著糧食不穩(wěn)定，且有超過 30 億人口（約占全球總?cè)丝诘?40%）無力負(fù)擔(dān)健康的膳食。

在世界人口不斷增長、疫情、氣候變化和戰(zhàn)爭等多重危機(jī)之下，世界糧食系統(tǒng)面臨著巨大壓力。蓋茨基金會稱，如若不采取行動，預(yù)計從現(xiàn)在到 2030 年，僅非洲地區(qū)就將增加 3200 萬饑餓人口。然而，在過去幾年中，主要作物的產(chǎn)量增長率已經(jīng)趨于平穩(wěn)，增加可耕地的可能性有限。在這種情況下，人們迫切需要找到一種快速且可持續(xù)的方法，在有限的可耕地上生產(chǎn)更多的農(nóng)產(chǎn)品、提高農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，以確保未來的糧食安全。

圖源：聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織

隨著基因組學(xué)革命和系統(tǒng)生物學(xué)的不斷發(fā)展，合成生物學(xué)得以興起，研究人員可以使用分子生物學(xué)工具和技術(shù)來推動細(xì)胞行為的工程化?，F(xiàn)如今，合成生物學(xué)已經(jīng)在能源、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)境以及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了進(jìn)展，也為應(yīng)對世界性危機(jī)提供了解決方案。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過改造代謝途徑、遺傳回路或者生物體結(jié)構(gòu)，研究人員可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。同時，可持續(xù)農(nóng)業(yè)是合成生物學(xué)應(yīng)用的另一方向，例如通過改造微生物來進(jìn)行生物施肥或者生物控制等。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)之外，合成生物學(xué)技術(shù)還能夠通過其他途徑生產(chǎn)營養(yǎng)物質(zhì)及食品，如利用二氧化碳在無細(xì)胞系統(tǒng)中合成淀粉、利用細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)人造肉等等。

01

通過合成生物學(xué)手段提高農(nóng)作物產(chǎn)量

近年來，基因組學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，合成生物學(xué)家可以通過基因編輯等方法提高農(nóng)作物的產(chǎn)量?；蚓庉嫾夹g(shù)的應(yīng)用對象可以是農(nóng)作物本身，常見的路徑有：通過改造加快農(nóng)作物馴化和育種的速度、使其獲得更高效的能源利用率、對不良環(huán)境有更高的抗性等。

過去，農(nóng)作物的馴化主要依靠自然變異，根據(jù)考古觀察，這一過程可能需要幾千年的時間，而使用合成生物學(xué)手段可以大大加快馴化過程。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了異源四倍體野生稻的快速從頭馴化策略，可以顯著提高糧食產(chǎn)量，增加作物對環(huán)境變化的適應(yīng)性，為作物育種開辟了新的方向。

通過合成生物學(xué)手段提高農(nóng)作物抗逆性，也是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的一種方式。中科院遺傳發(fā)育所的高彩霞團(tuán)隊是基因編輯在植物與農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的先驅(qū)之一，該團(tuán)隊多次將引導(dǎo)編輯 (Prime editing)、堿基編輯 (Base editing) 等工具用于植物的基因編輯，提高農(nóng)作物的抗除草劑等性能，從而實現(xiàn)增產(chǎn)目標(biāo)。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣團(tuán)隊與上海交通大學(xué)林尤舜團(tuán)隊將高溫抗性強(qiáng)的非洲栽培稻 TT3 基因位點導(dǎo)入到亞洲栽培稻中，培育成了新的抗熱品系即近等基因系 NIL-TT3CG14，該品系在田間高溫條件下，可增產(chǎn) 20％。

另外，通過干預(yù)細(xì)胞代謝通路，提高光合作用效率，直接提升農(nóng)作物產(chǎn)量。在光合作用中，大多數(shù)植物會通過卡爾文循環(huán)將吸收的二氧化碳轉(zhuǎn)化為戊糖分子核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP)，其中最關(guān)鍵的酶是 RuBP 羧化酶 (Rubisco)。通過將其他來源的高效 Rubisco 酶工程化到農(nóng)作物中可以提高光合作用的效率。除了直接提高酶的活性外，引入碳濃縮機(jī)制 (CCMs) 以增加 Rubisco 酶周圍的二氧化碳濃度是提高碳氧化效率的另一個有效途徑。此外，合成生物學(xué)家還可以設(shè)計新的碳氧化途徑，來提高植物光合作用的效果，比如德國馬克斯-普朗克研究所 Tobias Erb 團(tuán)隊利用巴豆酰-輔酶 A (CoA)/乙基丙二酸-CoA/羥基丁酰-CoA (CETCH) 循環(huán)，在體外進(jìn)行二氧化碳氧化。該團(tuán)隊進(jìn)一步將 CETCH 循環(huán)封裝在細(xì)胞大小的液滴中，使用微流體作為葉綠體的模擬物來創(chuàng)造一個人工光合作用系統(tǒng)。

合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)中的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是改善生物氮氧化途徑，提高作物對氮源的利用率。與光合作用的改進(jìn)類似，將異源氮氧化基因簇 nif 移植到植物中是最直接的選擇。

合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的示例，圖源：Wang et al. Advanced Agrochem (2022)

基因編輯技術(shù)的應(yīng)用對象除了農(nóng)作物本身，還可以是與植物共生的微生物。傳統(tǒng)的研究著眼于植物生長促進(jìn)根瘤菌 (PGPRs) ，但是，PGPRs 難以和植物生長環(huán)境中的本地微生物群落共生。為解決這一問題，研究人員引入能夠與植物穩(wěn)定共存的、具有促進(jìn)植物生長特性的菌株，并通過改造使這些菌株發(fā)揮與 PGPRs 相同的作用。比如麻省理工學(xué)院 Christopher Voigt 團(tuán)隊使用谷物內(nèi)生菌株 Rhizobium sp. IRBG74 作為底盤細(xì)胞，通過引入類球紅細(xì)菌 (Rhodobacter sphaeroides) 和產(chǎn)酸克雷伯氏菌 (Klebsiella oxytoca) 的重組基因簇來賦予底盤細(xì)胞氮素酶活性。PGPRs、固氮菌、關(guān)節(jié)桿菌根真菌 (AMF) 和外生菌根真菌 (EMF) 等土壤微生物可以恢復(fù)退化的土地，改善土壤的水力特性，利用改造后的土壤菌群可以修復(fù)病害土壤并抵御植物病原體的攻擊。

此外，研究人員還可以利用生物體，如細(xì)菌和酵母底盤細(xì)胞進(jìn)行材料加工和合成，從而用生物農(nóng)藥取代傳統(tǒng)的化學(xué)合成農(nóng)藥，改變農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)化學(xué)品的生產(chǎn)模式等等。

02

合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化

農(nóng)業(yè)作為世界性的重要議題，不僅受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，在產(chǎn)業(yè)界中也有許多以企業(yè)為主體、專注于利用合成生物學(xué)技術(shù)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的嘗試。根據(jù)美國知名合成生物學(xué)媒體 SynBioBeta 統(tǒng)計， 2021 年歐美等國農(nóng)業(yè)相關(guān)的合成生物學(xué)初創(chuàng)企業(yè)共完成了約 10 億美元的融資。以致力于用生物氮肥取代化學(xué)合成氮肥的 Pivot Bio 為例，該公司研發(fā)的微生物可從空氣中固定氮以供植物使用。目前 Pivot Bio 已經(jīng)完成了 D 輪融資，并相繼推出了針對玉米、小麥、高粱的商業(yè)產(chǎn)品。

值得一提的是，拜耳旗下的 Bayer CropScience 與合成生物學(xué)獨角獸企業(yè) Ginkgo Bioworks 兩家企業(yè)也在積極研發(fā)農(nóng)業(yè)固氮微生物產(chǎn)品，為此兩公司合資創(chuàng)立了新企業(yè) Joyn Bio。此外，Inari Agriculture 等企業(yè)也在運(yùn)用 CRISPR 等基因編輯技術(shù)提高育種速度和農(nóng)作物的產(chǎn)量。

國內(nèi)也有許多合成生物學(xué)相關(guān)企業(yè)致力于在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行專業(yè)轉(zhuǎn)化，如農(nóng)業(yè)基因組與產(chǎn)業(yè)化服務(wù)企業(yè)康普森生物，該公司將數(shù)據(jù)科學(xué)、合成生物學(xué)、基因組學(xué)、食品科學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了國內(nèi)主要農(nóng)作物與畜禽的遺傳多樣性平臺「Daxiang BreedingOS」等等。

03

利用合成生物學(xué)可持續(xù)地生產(chǎn)食品

利用合成生物學(xué)技術(shù)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，本質(zhì)上還是遵循「利用作物生產(chǎn)相應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品」的方式；然而合成生物學(xué)的變革性力量不止于此，更體現(xiàn)在通過非傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的方式來生產(chǎn)食品。近年最具代表性的研究當(dāng)屬中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和團(tuán)隊通過設(shè)計人工淀粉合成代謝通路，實現(xiàn)了在無細(xì)胞系統(tǒng)中利用二氧化碳和氫氣合成人造淀粉。按照目前數(shù)據(jù)分析，理論上 1 立方米大小的無細(xì)胞系統(tǒng)生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國 5 畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。

在糧食生產(chǎn)之外，合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用更加多元和廣泛。根據(jù) SynBioBeta 的數(shù)據(jù)，歐美等國食品行業(yè)的合成生物學(xué)企業(yè)在 2021 年完成了近 40 億美元的融資，其中較為知名的 Impossible Food 和 Beyond Meat 兩家公司致力于通過生產(chǎn)人造肉來推動全球食品的可持續(xù)發(fā)展。Beyond Meat 在招股書中提到，生產(chǎn)人造肉與動物來源的肉相比具有巨大的環(huán)境優(yōu)勢，能減少 90% 溫室氣體排放，減少 99% 的用水，減少 93% 的土地資源使用，減少 46% 的能源消耗，并解決動物福利問題。

目前主要的人造肉生產(chǎn)方式有兩種：一是利用植物基原料生產(chǎn)植物肉，二是利用細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)細(xì)胞培植肉，對應(yīng)了兩種常見的合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用模式。

第一種模式是利用植物基生產(chǎn)高營養(yǎng)價值的食品，如蛋白產(chǎn)品、脂肪產(chǎn)品等。以色列初創(chuàng)公司 PoLoPo 是應(yīng)用這種生產(chǎn)模式的典例，該公司利用土豆來代替母雞，從而生產(chǎn)卵清蛋白；無獨有偶，另一家來自于以色列的公司 Pigmentum 則致力于利用生菜生產(chǎn)乳制品蛋白。

第二種模式則是利用細(xì)胞來生產(chǎn)食品。當(dāng)前的細(xì)胞培植肉在成本和可培養(yǎng)規(guī)模上仍面臨著許多挑戰(zhàn)，因此發(fā)酵基蛋白目前也正在得到更多的關(guān)注，這種方法主要以微生物發(fā)酵來生產(chǎn)大量的蛋白質(zhì)，將發(fā)酵生產(chǎn)的蛋白質(zhì)與其他成分混合，制造出替代食品。如利用絲狀菌進(jìn)行發(fā)酵的英國無肉品牌 Quorn，以及國內(nèi)的利用生物質(zhì)發(fā)酵和精密發(fā)酵開發(fā)食用蛋白以的藍(lán)佳生物等。

除了生產(chǎn)高營養(yǎng)價值的食品外，合成生物學(xué)還可以用來減少食品生產(chǎn)中的碳排放。已如上述，與生產(chǎn)動物來源的肉相比，生產(chǎn)人造肉能減少 90% 溫室氣體排放。另外，在傳統(tǒng)的啤酒釀造中，啤酒的風(fēng)味依賴于啤酒花的香氣，而無酒精啤酒則缺失這種風(fēng)味，并且集約化種植的啤酒花在種植過程需要消耗大量水，運(yùn)輸及加工過程還會排放大量二氧化碳。對此，丹麥的合成生物學(xué)初創(chuàng)公司 EvodiaBio 利用工程化改造的酵母生產(chǎn)啤酒花的香氣分子，制造出不含酒精但風(fēng)味不變的啤酒，大大了減少生產(chǎn)過程中的碳排放和耗水量。

04

展望

糧食危機(jī)是當(dāng)前全人類所必須面臨的重要問題。今年九月份，我國豆粕行情暴漲給飼料養(yǎng)殖企業(yè)造成巨大壓力，也給國家?guī)砹朔敝氐膭游锂a(chǎn)品穩(wěn)產(chǎn)保供任務(wù)，以及越來越緊的資源環(huán)境制約。因此，9 月 19 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部部署全面推進(jìn)豆粕減量替代行動，提倡「提效、開源、增草，從供需兩端同時發(fā)力，多措并舉促節(jié)糧」。當(dāng)前，而合成生物學(xué)在當(dāng)前已經(jīng)顯示出了可以緩解糧食危機(jī)的潛力。

目前，合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)及食品領(lǐng)域的應(yīng)用成為了大國關(guān)注的焦點之一。在今年 9 月 12 日由美國總統(tǒng)拜登簽署的《關(guān)于推進(jìn)生物技術(shù)和生物制造創(chuàng)新以實現(xiàn)可持續(xù)、安全和可靠的美國生物經(jīng)濟(jì)的行政命令》中，美國政府明確指出需要改善糧食安全并推動農(nóng)業(yè)創(chuàng)新；而在我國的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中，國家發(fā)改委也提出了「順應(yīng)“解決溫飽”轉(zhuǎn)向“營養(yǎng)多元”的新趨勢，發(fā)展面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生物農(nóng)業(yè)，滿足人民群眾對食品消費(fèi)更高層次的新期待」的目標(biāo)。我們有理由相信，隨著生物經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，未來合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將得到更多的政策支持。

此外，國內(nèi)外的合成生物學(xué)領(lǐng)軍企業(yè)，如 Ginkgo Bioworks 和藍(lán)晶微生物等也已在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域開展了相應(yīng)的布局。希望在不久的將來，我們可以看到合成生物學(xué)為世界人民的糧食危機(jī)做出突破性的貢獻(xiàn)。

免責(zé)聲明：本文轉(zhuǎn)自再創(chuàng)丨Regenesis，原作者胡安。文章內(nèi)容系原作者個人觀點，本公眾號編譯/轉(zhuǎn)載僅為分享、傳達(dá)不同觀點，如有任何異議，歡迎聯(lián)系我們！