近日，中國科學院天津工業生物技術研究所吳信研究員帶領的營養資源合成生物學團隊，在“蛋白飼料生物工程制造前沿技術及新產品創制”項目的支持下，在一碳甲醇原料生物合成單細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—蛋白定向合成的調控機制提供了新策略，同時為突破甲醇蛋白生物制造經濟閾值奠定了基礎。相關研究成果發表在國際期刊《微生物細胞工廠》和《生物燃料與生物產品技術》上。

甲醇蛋白可替代天然植物蛋白

目前，我國大宗農產品對外依存度依然較高，其中，大豆等蛋白質原料的對外依存度已連續十多年超過80%。營養資源高度依賴進口的局面嚴重威脅了我國食品供給安全。尋求新的蛋白質資源，代替大豆等作物蛋白迫在眉睫。

“單細胞蛋白被視為食品及飼料蛋白生產的重要替代品。該蛋白是通過微生物發酵的方式生產的菌體蛋白。”吳信介紹，菌體中的蛋白質含量高達40%—85%，遠高于天然植物中的蛋白質含量。同時，菌體的氨基酸組分齊全，可利用率高，還含有維生素、無機鹽、脂肪和糖類等營養成分，可以部分代替魚粉、大豆、肉類及脫脂奶粉等。

與傳統種植方式獲取蛋白相比，單細胞蛋白的生產不受自然環境影響，且產率較高。在產量相同的情況下，單細胞蛋白生產用地使用效率比農作物種植用地使用效率提高1000倍以上。

單細胞蛋白可由制糖、造紙、淀粉生產、木材加工等產生的副產物來發酵生產，但這些副產物的供應不穩定，使得單細胞蛋白產量較低。相較之下，甲醇蛋白則具有廣闊的工業化生產前景。“在一系列一碳化合物中，甲醇的來源豐富且廉價，更容易運輸和儲存，是化學工業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動力。

此外，我國的煤炭資源較為豐富，以煤炭副產物甲醇作為碳源生產單細胞蛋白，不僅碳源供應穩定，而且還可通過微生物對一碳化合物的同化降低碳排放，有效推動飼料工業原料資源供給和煤炭副產物高效清潔利用。

改造菌株高效合成甲醇蛋白

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，甲醇首先會被氧化為甲醛。一部分甲醛將進入異化途徑，進一步被氧化為二氧化碳和水；另一部分甲醛進入同化途徑，經由單磷酸木糖途徑進入中心代謝，促進菌體的生長代謝。

“甲醇代謝途徑復雜，進入異化途徑的比例難以調控。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%。無法實現甲醇代謝流高效定向轉化為菌體蛋白，是目前制約甲醇蛋白合成成本進一步降低的主要技術瓶頸。”吳信說。

為解決上述問題，團隊從全國多個省份的葡萄園、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菌株，利用適應性實驗室進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。轉錄組學和表型分析顯示，這一菌株的同化途徑和異化途徑的通量均有所減少，酵母細胞達到新的代謝平衡，實現了代謝途徑中碳損失的減少。

團隊在進一步的研究中發現，細胞壁重塑是巴斯德畢赤酵母細胞在進化過程中響應高溫脅迫的適應性反應。研究人員通過強化氮代謝途徑關鍵基因和削弱細胞壁合成，來提高獲得的巴斯德畢赤酵母菌株的蛋白質含量，最終在33℃條件下的中試規模補料分批培養中，實現以甲醇為唯一碳源高水平生產單細胞蛋白。

進一步突破工業菌株生產閾值

從20世紀60年代起，世界上就有不少國家開始進行甲醇蛋白的研究與開發生產。至20世紀70年代后期，全球從事該項研究工作的單位達到近千家。我國對甲醇蛋白的研究并不算晚，早在1984年，我國就把甲醇蛋白列為飼料工業發展的重要產品之一。但目前，國內甲醇蛋白行業的競爭程度仍相對較低，大部分企業技術水平有限，產品質量差異較大，市場競爭力不足。

“早些年，我們的設備裝置比較落后，技術難以突破，缺乏優良的野生菌種資源和先進的生產工藝。這些問題導致生產成本較高，在一定程度上限制了我國甲醇蛋白的大規模產業化發展。”中國科學院天津工業生物技術研究所副研究員高樂說。

此次研究創制了具有自主知識產權且可使甲醇蛋白高效合成的巴斯德畢赤酵母菌株，粗蛋白含量達到67.2％，甲醇—蛋白轉化效率達到理論值的92％，為以甲醇為唯一碳源生產單細胞蛋白提供了一個經濟的巴斯德畢赤酵母細胞工廠。目前，研究團隊已將這項成果嘗試投入應用，在企業實現了萬噸級工業化示范。

“未來我們還將引入人工智能系統，加快現有自主知識產權菌株的迭代升級，實現工業菌株—工業原料—發酵工藝/設備高度擬合，進一步突破工業菌株的生產閾值。”吳信表示，提升甲醇蛋白的生理學功能和營養價值，拓展以甲醇蛋白為核心的衍生功能蛋白市場，是未來甲醇蛋白發展的兩個重要方向。這能夠進一步降低甲醇蛋白的生產成本，提高甲醇蛋白的附加值，促進甲醇蛋白的規模化生產。