近日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，低碳合成工程生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳信團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“單細(xì)胞蛋白生物創(chuàng)制策略”的綜述。文章系統(tǒng)評(píng)述了單細(xì)胞蛋白（single cell protein，SCP）的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，包括酵母、細(xì)菌和藻類(lèi)作為“工廠”生產(chǎn)SCP在底物選擇及營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)上的差異，以及對(duì)于保障國(guó)家糧食安全、踐行“大食物觀”、推動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展及構(gòu)建可持續(xù)的全球食品系統(tǒng)具有重大意義。

圖 1 SCP 在食品和飼料工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)作為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是機(jī)體細(xì)胞、組織和器官的重要組成成分，對(duì)于人類(lèi)和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。SCP以其高效生產(chǎn)、低土地依賴(lài)及可調(diào)控營(yíng)養(yǎng)成分為突破方向，為應(yīng)對(duì)全球蛋白質(zhì)需求增長(zhǎng)和人畜爭(zhēng)糧問(wèn)題提供了一個(gè)可持續(xù)性的替代方案。SCP工業(yè)生產(chǎn)的核心在于選擇合適的菌株，藻類(lèi)、細(xì)菌和酵母微生物具有不同的細(xì)胞組成、生理特征和能量需求，這使得它們?cè)赟CP生產(chǎn)中具有多樣化的應(yīng)用途徑。此外，因?yàn)楣I(yè)微生物可以是光合作用或化學(xué)自養(yǎng)生物、甲基營(yíng)養(yǎng)生物、異養(yǎng)生物和混合營(yíng)養(yǎng)生物，需要根據(jù)不同的待轉(zhuǎn)化原料來(lái)選擇適合于菌株的培養(yǎng)模式。此外，SCP產(chǎn)品的安全性是其食品與飼料應(yīng)用獲批的核心前提，許多SCP中高核酸含量（占干重15%–16%）引發(fā)的健康風(fēng)險(xiǎn)顯著制約了市場(chǎng)接受度。

成本是制約SCP廣泛應(yīng)用的主要因素，通過(guò)糧食來(lái)源的碳源生產(chǎn)SCP仍然無(wú)法擺脫對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的依賴(lài)，且成本難以與傳統(tǒng)大豆蛋白粉相競(jìng)爭(zhēng)。利用甲醇和污水等工業(yè)產(chǎn)物生產(chǎn)SCP，在應(yīng)對(duì)與糧食安全、資源稀缺和環(huán)境可持續(xù)性相關(guān)的全球挑戰(zhàn)方面具有巨大潛力。本團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了畢赤酵母底盤(pán)在“內(nèi)驅(qū)力”作用下的代謝流重新編程，從而提高了工業(yè)菌株對(duì)畢赤酵母甲醇的耐受性和代謝效率，顯著增強(qiáng)了甲醇-蛋白代謝流的定向轉(zhuǎn)化，提高了碳氮協(xié)同轉(zhuǎn)化效率并降低碳損失，從而實(shí)現(xiàn)了以甲醇為碳源的SCP的高效轉(zhuǎn)化。

未來(lái)SCP的規(guī)?；a(chǎn)仍面臨若干挑戰(zhàn)，包括微生物菌株在工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性和代謝負(fù)擔(dān)、部分菌種核酸含量過(guò)高可能導(dǎo)致的生理負(fù)擔(dān)，以及用于人類(lèi)消費(fèi)的SCP產(chǎn)品風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)問(wèn)題。隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，菌株的魯棒性將得到顯著的提升，有利于耐受并轉(zhuǎn)化不同的底物，同時(shí)定向合成功能性次級(jí)代謝產(chǎn)物。人工智能技術(shù)的賦能，可以定向設(shè)計(jì)發(fā)酵菌株的代謝路徑，優(yōu)化發(fā)酵工藝，進(jìn)一步提升SCP的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過(guò)解決上述挑戰(zhàn)，先進(jìn)的SCP技術(shù)有望重塑全球食品系統(tǒng)，彌合循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)與營(yíng)養(yǎng)安全之間的差距。以CO2、甲醇、甲酸等一碳原料和多種工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物作為碳源生產(chǎn)的SCP有助于緩解我國(guó)蛋白營(yíng)養(yǎng)資源短缺現(xiàn)狀，同時(shí)減少資源浪費(fèi)，和傳統(tǒng)工農(nóng)業(yè)形成的互相促進(jìn)的形式。作為一種可持續(xù)的蛋白質(zhì)來(lái)源，SCP必將在滿足全球不斷增長(zhǎng)的蛋白質(zhì)需求、減緩氣候變化以及促進(jìn)資源循環(huán)利用方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所吳信研究員為論文第一作者，高樂(lè)研究員為論文通訊作者。相關(guān)研究受到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（XDC0110304），天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Grant No.23YFYSHZ00140) 和四川省科技成果轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移示范項(xiàng)目(2024ZHCG0108)資助。

文章信息

吳信，吳凡，張哲瑞，等.單細(xì)胞蛋白的生物創(chuàng)制策略. 科學(xué)通報(bào), 2025.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5387.

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