全球經濟發展、人口增長和生活水平提高帶來了蛋白質需求的大幅度增加，蛋白質資源緊缺已成為日益嚴峻的全球性問題。我國作為擁有14億人口的發展中大國，對蛋白質資源的巨大需求是關乎國計民生和國家戰略安全的核心議題。然而，傳統依賴農業和畜牧業的蛋白質生產模式面臨嚴峻挑戰。一方面，畜牧養殖和大豆種植等傳統生產方式占用大量土地、水資源，排放大量二氧化碳等溫室氣體，加劇了環境壓力和氣候變化。另一方面，我國蛋白質的持續短缺，導致每年大豆等糧食進口量居高不下，嚴重威脅我國糧食安全。面對這個現狀，以微生物細胞工廠為核心驅動力的新質蛋白生物制造，正展現出前所未有的巨大潛力與發展前景，為實現蛋白質供給的范式革命提供了全新路徑。
圖1 微生物細胞工廠介導的新質蛋白生物制造
微生物細胞工廠，本質上是利用合成生物學等前沿技術，對酵母、細菌、絲狀真菌以及微藻等微生物進行深度設計與精準改造，將其重塑為高效合成目標產物的“活體機器”（圖1）。微生物細胞工廠利用淀粉糖等糧食原料，秸稈等農林廢棄物甚至CO2等一碳原料來生物制造菌體蛋白、酶蛋白和功能蛋白，代表一種全新的蛋白質生產力，不僅關乎未來食品的變革，更是一場深刻的工業革命，有望為構建可持續的未來社會提供強大的物質基礎。該文聚焦當前新質蛋白領域的發展動態，重點分析通過先進生物技術手段優化微生物底盤細胞，從而高效合成符合食品級標準的新型、高質量蛋白質產品的技術路徑、產業化與應用前景，以及未來發展面臨的挑戰和方向。
1 新質蛋白發展背景與意義
（1）全球蛋白質需求的增長與可持續發展挑戰 全球蛋白質資源需求猛增的原因是多方面的疊加效應。研究表明，未來幾十年全球蛋白質需求量預計將增長50%以上，這對現有蛋白質生產體系提出了嚴峻挑戰。
（2）傳統蛋白質生產方法的局限性 傳統的畜牧種植業不僅消耗大量的土地、水、能源等資源，而且對生態環境具有破壞性，難以實現可持續發展。隨著人口持續增長和“碳中和”目標的約束，傳統蛋白質生產模式難以長期維持大規模、可持續的蛋白質供給，迫切需要構建更可持續的蛋白質供給新模式。
（3）微生物細胞工廠的優勢 其核心優勢首先體現在生產效率上，微生物具有快速增殖的特性，其世代周期遠短于植物細胞，可在數日內完成生產流程。可以利用較為豐富廉價的秸稈、果渣等農業與食品加工廢棄物，甚至CO2等工業廢氣作為碳源，配合氨水、尿素等低成本氮源，有望實現低成本生產，并且可與循環經濟更好地結合。同時借助生物反應器可以實現工業化放大，生產條件溫和、過程可控，消耗的能源和廢物、廢氣排放遠小于傳統畜牧業，符合綠色生產的理念。產品純度更高，避免傳統提取工藝中可能遇到的病毒、農藥殘留等問題，可以在人為創造的環境內持續不斷生產，不受季節、氣候的影響。
2 新質蛋白微生物細胞工廠的構建策略
微生物細胞工廠作為可再生資源合成新質蛋白的核心平臺，其構建依托于系統生物學、合成生物學、發酵工程及人工智能（AI）等多學科技術的協同，通過基因設計、代謝途徑與網絡、底盤細胞的迭代設計、構建、測試與學習工程循環（圖2），提升微生物細胞工廠性能，實現目標蛋白的高效、可控生產。微生物新質蛋白生產主要分為生物質發酵與精密發酵兩大技術體系。前者利用微生物細胞工廠繁殖迅速和蛋白質含量高的特性，規模化生產菌體蛋白；后者則通過微生物細胞工廠表達生產酶蛋白和功能蛋白。
圖2 新質蛋白微生物細胞工廠創制
3 新質蛋白生物制造：系統設計與優化
新質蛋白的生物制造是合成生物學與生物制造領域的核心挑戰，其高效實現依賴于從分子到工藝的全鏈條一體化設計與系統優化（圖3）。在分子水平，通過理性設計與深度學習優化編碼序列及表達元件，奠定高效表達的基礎；在細胞水平，重構底盤細胞的代謝與調控網絡，最大化資源流向目標蛋白合成；在工藝水平，創新發酵與分離純化策略，實現制造效率與經濟性的雙重提升。唯有貫通這3個層級的設計與優化，才能突破生物制造的瓶頸，推動新質蛋白的產業化應用。
圖3 新質蛋白生物制造系統設計與優化
4 非糧食原料利用與新質蛋白可持續生物制造
碳源是蛋白質合成過程中的主要原料，傳統的動物蛋白生產使用玉米、豆粕等糧食作物為原料，占用了大量的土地及水資源；新質蛋白生物制造采用的是非糧可再生碳源，如農業廢棄物、工業廢氣等，切斷了傳統糧食這一環節，從而達到碳的循環利用。農業廢物（秸稈、麩皮等）可以轉化為高價值碳源，或用來生產蛋白質。此外，CO?作為“終極碳源”展現出顯著的顛覆性潛力，借助合成生物學手段改造的微生物（如藍藻、工程大腸桿菌等），能夠高效固定并轉化CO?，甚至可直接利用工業排放的CO?合成蛋白質，為實現碳循環經濟提供全新的技術路徑。
5 微生物細胞工廠生產的新質蛋白的市場應用前景
微生物細胞工廠生產的新質蛋白憑借高效、可定制和可持續的特性，在食品領域具有廣闊的市場前景。利用微生物新質蛋白發展蛋白肉產品，是目前備受關注的方向。通過酵母、細菌或真菌等微生物細胞工廠，可高效生產與動物肉營養成分和風味特性高度相似的蛋白質，甚至能夠定制特定氨基酸組成和質構特性。相較于傳統植物基蛋白肉，利用微生物新質蛋白開發的蛋白肉不含過敏原，生產過程不受氣候影響，且資源利用效率高，環境足跡顯著降低。微生物細胞工廠是核心（決定蛋白質轉化效率），高效底盤菌株篩選技術可降低成本。威尼斯鐮刀菌作為生產菌絲蛋白的核心菌株，憑借獨特的生物學特性，高效的代謝能力及適配工業化生產的優勢，成為全球新質蛋白領域的標桿菌株。目前，英國、美國、歐盟、中國等多個國家和地區已建立起基于微生物細胞工廠的大規模可持續生產體系，并開發出多種蛋白肉產品，銷往全球數十個國家。
此外，微生物細胞工廠還能夠定制化生產多種高附加值食品成分，包括高性能食品酶、高甜度低熱量的天然甜味蛋白、營養與功能高度一致的乳清蛋白，以及具備抗氧化與抗菌等功能活性肽。這些產品契合清潔標簽、健康營養和可持續消費的新興需求，正在引領未來食品產業的創新方向。
6 未來展望
微生物細胞工廠作為新質蛋白生物制造的核心平臺，正引領一場深刻的食品與農業科技革命，展現出顛覆傳統農業生產模式的巨大潛力，然而其發展仍面臨多重挑戰，未來需要在技術創新與產業應用上實現關鍵突破。
6.1 蛋白質性能設計優化
目前從氨基酸序列精確預測三維結構及理化性質仍極為困難，尤其是對全新設計的蛋白，其折疊穩定性、溶解性及分子互作能力難以預判，嚴重限制了理性設計的成功率。實際應用往往要求新質蛋白兼具營養、質構、乳化性等多種特性，而將不同功能域整合于單一分子或復合物中，涉及復雜的多肽協調表達與組裝，這對現有技術提出了極高的要求。
利用人工智能（尤其是深度學習）模型，可對海量蛋白質序列-結構-功能數據進行訓練，實現對新蛋白功能的精準預測和逆向設計，這將大幅縮短設計周期，從“試錯”走向“精準創制”。采用模塊化設計理念，將不同功能域（如催化結構域、錨定結構域、穩定結構域）進行組合與優化，像搭積木一樣構建具有復合功能的新型蛋白，以滿足不同食品的具體應用需求。
6.2 底盤細胞性能改造優化
底盤細胞性能是微生物細胞工廠高效合成新質蛋白的核心瓶頸。現有底盤細胞的蛋白質合成能力有限，復雜或大分子外源蛋白易錯誤折疊形成包涵體，導致活性產物得率低；缺乏精確的翻譯后修飾能力（如糖基化、磷酸化等），使真核源蛋白的功能性和安全性不足；還有在工業發酵環境中的脅迫條件（如溫度、pH波動）顯著影響抗逆性和生產穩定性。
可通過多技術融合對底盤細胞進行系統優化。運用合成生物學策略，通過基因組精簡、代謝途徑重構及異源修飾系統引入，設計高效合成且具備精準加工能力的新一代底盤細胞。結合自動化平臺與人工智能，建立高通量構建和機器學習輔助的篩選與優化體系，實現對蛋白表達、折疊和分泌過程的精準調控。最后，借助適應性實驗室進化等技術，選育耐受工業苛刻條件的魯棒性底盤細胞，提升生產穩定性和經濟性。通過這些系統性改造，推動微生物細胞工廠實現從“能合成”到“高效、穩定、可控生產”的跨越。
6.3 非糧原料利用與過程工藝優化放大
傳統發酵依賴葡萄糖等糧食基原料，成本高且存在“與人爭糧”的倫理爭議，而非糧原料（如秸稈水解液、糖蜜、CO?/甲烷等）雖來源廣泛、成本低，但成分復雜且含抑制物，會嚴重抑制細胞生長和蛋白質合成，且微生物往往缺乏高效利用這些碳源的天然代謝途徑，導致轉化效率和產率低下。與此同時，工藝放大是另一大瓶頸：實驗室成功的微生物細胞工廠，在工業級發酵罐中常因傳質傳氧不足、混合不均和熱移除困難等問題，導致代謝異常、副產物積累和產率大幅下降，嚴重影響生產穩定性和產品質量。
未來需通過多技術路徑協同突破。一方面利用合成生物學重構細胞代謝網絡，提升對復雜碳源的利用效率，并結合定向進化選育耐受抑制物的魯棒菌株；另一方面需開發在線監測與智能控制策略，設計新型生物反應器，并建立機理與數據驅動的放大模型，實現精密調控和平穩放大。最終通過原料創新與工藝升級的深度融合，推動新質蛋白生物制造實現低成本、高效、可持續的工業化生產。
微生物細胞工廠運用合成生物學以及交叉學科的技術手段，創造全新的蛋白質生物制造模式，在具有更強可持續性、更高效益和更強功能性的優點的同時，也為實現糧食安全、碳中和，維護人類健康提供強有力的技術支撐。隨著技術的發展和產業生態的不斷成熟，微生物細胞工廠將是未來主導的新質蛋白生物制造方式之一，是推動未來食品和生物經濟發展的重要力量。在未來的食品科技版圖中，升級蛋白質產品新需求，微生物新質蛋白有望成為傳統蛋白質來源的有力補充，為消費者提供更多元、更健康、更可持續的選擇。而新質蛋白在食品各領域研究的不斷深化，正逐步推動現有產業形態的迭代升級；同時，其應用潛力也將深度融入人類社會的可持續發展進程，為解決資源、環境等核心議題提供全新路徑。
原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=UsPV4INcYzgv4YPBB4KeTeYJx82SVUFiKUmXiiQIBU3GDpjv1LnWTSh5pBdzip9nJ_DM5-mQGauGOgcEpQ02yqLSUodidgvc66ykBBtJo3uIn_8m7YC5KZ5cyHg6qbxXbMFOSm07lFGMAMiUxLej3DZhuOX7wCrZ8yyW3Rbo87m7rBso38Yk_A==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
