甲醇蛋白是以甲醇为碳源，通过培养微生物生产的单细胞蛋白，具有成本低、质量稳定可控等优点。甲醇蛋白也被认为是食用和饲用蛋白的有效替代品。
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所吴信研究员带领的营养资源合成生物学团队，在“蛋白饲料生物工程制造前沿技术及新产品创制”项目的支持下，在一碳甲醇原料生物合成单细胞蛋白方面取得了新突破。该研究为解析毕赤酵母碳氮源高效利用以及甲醇—蛋白定向合成的调控机制提供了新策略，同时为突破甲醇蛋白生物制造经济阈值奠定了基础。相关研究成果发表在国际期刊《微生物细胞工厂》和《生物燃料与生物产品技术》上。
甲醇蛋白可替代天然植物蛋白
目前，我国大宗农产品对外依存度依然较高，其中，大豆等蛋白质原料的对外依存度已连续十多年超过80%。营养资源高度依赖进口的局面严重威胁了我国食品供给安全。寻求新的蛋白质资源，代替大豆等作物蛋白迫在眉睫。
“单细胞蛋白被视为食品及饲料蛋白生产的重要替代品。该蛋白是通过微生物发酵的方式生产的菌体蛋白。”吴信介绍，菌体中的蛋白质含量高达40%—85%，远高于天然植物中的蛋白质含量。同时，菌体的氨基酸组分齐全，可利用率高，还含有维生素、无机盐、脂肪和糖类等营养成分，可以部分代替鱼粉、大豆、肉类及脱脂奶粉等。
与传统种植方式获取蛋白相比，单细胞蛋白的生产不受自然环境影响，且产率较高。在产量相同的情况下，单细胞蛋白生产用地使用效率比农作物种植用地使用效率提高1000倍以上。
单细胞蛋白可由制糖、造纸、淀粉生产、木材加工等产生的副产物来发酵生产，但这些副产物的供应不稳定，使得单细胞蛋白产量较低。相较之下，甲醇蛋白则具有广阔的工业化生产前景。“在一系列一碳化合物中，甲醇的来源丰富且廉价，更容易运输和储存，是化学工业和生物制造的理想一碳资源。”吴信介绍，甲醇还具有高度的还原性，可以为甲醇蛋白的生物合成提供更多驱动力。
此外，我国的煤炭资源较为丰富，以煤炭副产物甲醇作为碳源生产单细胞蛋白，不仅碳源供应稳定，而且还可通过微生物对一碳化合物的同化降低碳排放，有效推动饲料工业原料资源供给和煤炭副产物高效清洁利用。
改造菌株高效合成甲醇蛋白
目前，常见的能够以甲醇为碳源合成甲醇蛋白的微生物包括毕赤酵母、谷氨酸棒状杆菌等。在毕赤酵母的甲醇代谢途径中，甲醇首先会被氧化为甲醛。一部分甲醛将进入异化途径，进一步被氧化为二氧化碳和水；另一部分甲醛进入同化途径，经由单磷酸木糖途径进入中心代谢，促进菌体的生长代谢。
“甲醇代谢途径复杂，进入异化途径的比例难以调控。并且甲醇本身具有生物毒性，造成的碳损失往往超过原料整体利用率的20%。无法实现甲醇代谢流高效定向转化为菌体蛋白，是目前制约甲醇蛋白合成成本进一步降低的主要技术瓶颈。”吴信说。
为解决上述问题，团队从全国多个省份的葡萄园、森林、沼泽地等采集了2万多份样本，从中筛选获得了可以高效利用多种糖源和低元醇等碳源的菌株，并以野生型毕赤酵母菌株为出发菌株，利用适应性实验室进化获得了一株甲醇利用率高、耐高温的巴斯德毕赤酵母菌株。转录组学和表型分析显示，这一菌株的同化途径和异化途径的通量均有所减少，酵母细胞达到新的代谢平衡，实现了代谢途径中碳损失的减少。
团队在进一步的研究中发现，细胞壁重塑是巴斯德毕赤酵母细胞在进化过程中响应高温胁迫的适应性反应。研究人员通过强化氮代谢途径关键基因和削弱细胞壁合成，来提高获得的巴斯德毕赤酵母菌株的蛋白质含量，最终在33℃条件下的中试规模补料分批培养中，实现以甲醇为唯一碳源高水平生产单细胞蛋白。
进一步突破工业菌株生产阈值
从20世纪60年代起，世界上就有不少国家开始进行甲醇蛋白的研究与开发生产。至20世纪70年代后期，全球从事该项研究工作的单位达到近千家。我国对甲醇蛋白的研究并不算晚，早在1984年，我国就把甲醇蛋白列为饲料工业发展的重要产品之一。但目前，国内甲醇蛋白行业的竞争程度仍相对较低，大部分企业技术水平有限，产品质量差异较大，市场竞争力不足。
“早些年，我们的设备装置比较落后，技术难以突破，缺乏优良的野生菌种资源和先进的生产工艺。这些问题导致生产成本较高，在一定程度上限制了我国甲醇蛋白的大规模产业化发展。”中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员高乐说。
此次研究创制了具有自主知识产权且可使甲醇蛋白高效合成的巴斯德毕赤酵母菌株，粗蛋白含量达到67.2％，甲醇—蛋白转化效率达到理论值的92％，为以甲醇为唯一碳源生产单细胞蛋白提供了一个经济的巴斯德毕赤酵母细胞工厂。目前，研究团队已将这项成果尝试投入应用，在企业实现了万吨级工业化示范。
“未来我们还将引入人工智能系统，加快现有自主知识产权菌株的迭代升级，实现工业菌株—工业原料—发酵工艺/设备高度拟合，进一步突破工业菌株的生产阈值。”吴信表示，提升甲醇蛋白的生理学功能和营养价值，拓展以甲醇蛋白为核心的衍生功能蛋白市场，是未来甲醇蛋白发展的两个重要方向。这能够进一步降低甲醇蛋白的生产成本，提高甲醇蛋白的附加值，促进甲醇蛋白的规模化生产。
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