□ 孔紅銘 趙楠星 陳秋平 浙江萬里學院

合成生物學作為一個新興的研究領域，能設計、控制和規(guī)范生化代謝過程，其目標是使生物學成為一門工程學科。合成生物學系統(tǒng)地設計了代謝路徑，并產(chǎn)生了大規(guī)模的遺傳因子，將會使食品生產(chǎn)乃至工業(yè)化學領域等都發(fā)生質的改變和突破，能有效解決目前人類發(fā)展過程中出現(xiàn)的各種問題，特別是資源、健康、環(huán)境等。生物系統(tǒng)具有較強的不可預測性，合成生物學能借助核心分子的不斷升級與創(chuàng)新，豐富系統(tǒng)的生物功能，進而在功能上達到突破與重組。合成生物學在生物燃料、醫(yī)療、環(huán)保等方面的應用較多，近些年，由于專業(yè)的融合度逐漸深入，合成生物學跨學科交叉較多，有效地促進了不同領域的發(fā)展，使現(xiàn)代合成生物學技術不斷的改革創(chuàng)新。合成生物學的發(fā)展促進了生物產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，有效地促進了經(jīng)濟的長效提升。

現(xiàn)如今，合成生物學主要借助生物代謝結構，通過人工計算的合成重建某種生物的基因，進而完成細胞工程乃至合成體系的建設工作，這一原理在理論上可滿足所有化合物的生成需求與標準，因此，該技術成為了工業(yè)化學行業(yè)、食品領域等的新興技術與趨勢。隨著社會進步和科學發(fā)展，食品安全和風味的純正與特色已成為當前人們對生活更高級的追求，在保證食品安全的前提下，不斷改良食品的營養(yǎng)與風味，從而滿足人們對健康食品的需要，如提高食物中某些優(yōu)質蛋白和必需脂肪酸含量、適當減少糖類物質含量，并增加膳食纖維、改善食物色澤，增加食欲等。農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)的合成生物學涉及生物催化劑和活細胞（或其成分）的結合，以生產(chǎn)有價值的產(chǎn)品，同時也為設計和生產(chǎn)改進或新的農(nóng)業(yè)和食品產(chǎn)品及其制造工藝提供了巨大的機會。

1 改善蛋白質中的氨基酸組成

蛋白質是人體維持正常生長代謝必不可少的重要營養(yǎng)成分之一，人體生長過程中需要的必須氨基酸只能通過飲食攝入，但植物性蛋白質由于氨基酸種類較少，人體長期只食用植物性蛋白質易形成營養(yǎng)缺乏，如禾本科植物的種子是人們經(jīng)常食用的主食，但其缺少賴氨酸和色氨酸這兩種必須氨基酸；豆類、蔬菜類也是人體日常食用量較大的植物食物，但其缺少甲硫氨酸和半胱氨酸[1]。其中，大豆蛋白的含量約占40%，是含量較多且組成成分均衡的植物蛋白質來源，大豆的植物蛋白能有效被人體利用，但缺乏甲硫氨酸，其含量遠未達到世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織所規(guī)定的食物標準氨基酸比例（每種必需氨基酸占總蛋白的3.5%)，數(shù)據(jù)表明，大豆的甲硫氨酸含量不足總蛋白含量的1/3，因人體自身不能合成，而且甲硫氨酸攝入量長期偏低會引起蛋白質的合成受阻，對人體損害較大。

通過基因選育和克隆的方式能對大豆中合成必需氨基酸的基因進行調(diào)整。陳宏偉等[2]長期進行大豆育種和改良項目研究，其研究成果能實現(xiàn)大豆營養(yǎng)成分的改良，他們對蘆葦細胞進行處理，利用克隆手段提取出高甲硫氨酸蛋白基因，同時使用農(nóng)桿菌介導法，將高甲硫氨酸蛋白基因整合到大豆基因組中，當這段基因成功表達后就能在大豆中生成高含量的甲硫氨酸。基因克隆及測速結果表明，這段基因編碼區(qū)420 bp，編碼139個氨基酸，其中含有21個甲硫氨酸。通過熒光標記法追蹤，證明該基因片段可在大豆正常生長中表達，并且能提升甲硫氨酸的產(chǎn)量，經(jīng)分析，增長幅度最高達51.11%。

2 碳水化合物的改良

2.1 改變不同淀粉的比例

水稻胚乳中的主要物質是淀粉，包括直鏈淀粉和支鏈淀粉，衡量稻米質量的重要指標是直鏈淀粉[3]，高直鏈淀粉含量的稻米在進行烹飪后會出現(xiàn)米粒發(fā)干和分離、溫度降低后米粒硬度提升等現(xiàn)象，影響口感。因此，通過減少直鏈淀粉含量，可提升稻米的品質。Ma等[4]對Waxy基因的3個位點進行編輯，并對轉化后的植株進行培養(yǎng)，獲得T0代種子。對該種子進行淀粉含量分析，結果發(fā)現(xiàn)該種子直鏈淀粉的含量比野生型種子下降12%，且編輯后的粳稻品種口感類似于天然糯米品種。實驗結果證明，Waxy基因的表達水平與直鏈淀粉水平成正相關，通過調(diào)控Waxy基因的表達改變水稻中直鏈淀粉含量是可行的。Liu等[5]在含有反義Waxy基因的水稻中發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量降低的現(xiàn)象。

2.2 增加稀有糖的合成

目前，研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)稀有糖對機體有特殊的功能，能作為一些抗糖食物的添加劑，但稀有糖目前從自然界獲取的來源有限，產(chǎn)量低，并且生產(chǎn)制備稀有糖的成本高于普通糖類，所以，目前市面上的稀有糖使用量非常有限[6]。在糖熱量測驗中天然甜味劑塔格糖的熱量較低，與蔗糖相比，熱量不及后者的1/2，將合成生物學技術應用于生產(chǎn)塔格糖，能大幅度降低成本。Liu等[7]利用微生物發(fā)酵法，以釀酒酵母為菌株來源，基于合成生物學策略剔除編碼半乳糖激酶的GAL1基因，并且調(diào)整了木糖還原酶的表達，優(yōu)化了半乳糖脫氫酶表達過程，可使塔格糖產(chǎn)量擴大數(shù)倍，達到37.69 g/L。代糖的廣泛使用能促進制糖工業(yè)和生物工程的提升。Kim等[8]將來源于氧化葡萄糖桿菌G 624的山梨醇脫氫酶在大腸桿菌中進行表達，并運用固定化酶技術，成功將D—山梨醇轉化為L—山梨糖的效率達到62.8%。

3 油脂的改良

3.1 增加油酸含量

對植物細胞中某些特定關鍵酶重復處理和調(diào)整，就可得到某些特定脂肪酸含量占優(yōu)勢的植物油。在我國消費食用油中，大豆油排名第一，但大豆中油酸含量并不高，甚至可以說處于缺乏的狀態(tài)。改善大豆中油酸含量，較為有效的手段就是合成生物學技術。研究證實，可通過調(diào)控油酸合成關鍵基因（如GmFAD2基因）提升大豆的油酸含量，從而培育出高油酸大豆。國內(nèi)由此獲得的大豆油酸含量最高達80%左右，較對照品種提高了2～3倍，且總脂肪和總蛋白質含量及一些重要農(nóng)藝性狀未發(fā)生顯著改變[9—10]。另外，針對高油酸含量大豆油的研究，美國DuPont公司也取得了成功，他們基于反義抑制與聯(lián)合控制油酸酯脫氫酶，將硬脂酸—ACP脫氫酶的反義基因引入，從而使飽和脂肪酸含量降低，反之可將不飽和脂肪酸含量提升。經(jīng)過這種工藝處理后的植物油，油酸含量超過了80%，但普通植物僅有24%[11]。

3.2 增加多不飽和脂肪酸含量

多不飽和脂肪酸（PUFA），如二十碳五碳六烯酸（EPA）和花生四烯酸（ARA）等，與胎兒胚胎期的大腦發(fā)育息息相關，對降低心血管疾病的發(fā)病率有重要貢獻。海洋魚類是人們飲食中PUFA的主要來源。雖然開花植物含有少量的PUFA，但它在已知的幾種蘚類植物中卻能積累較高水平[12]。因此，可導入苔蘚基因組中發(fā)現(xiàn)的PUFA生物合成基因，使模式植物的PUFA含量提高。黎明等[13]基于大豆種子的特異性啟動子BCSP 952，在轉基因大豆種子內(nèi)推動Δ9延長酶基因IgASE 2、Δ8脫氫酶基因efd 2和Δ5脫氫酶基因ptd 5共表達，在大豆代謝過程建立Δ8合成途徑用于合成EPA和ARA，取得了一定效果，而轉基因大豆油中EPA、ARA的含量占總脂肪酸含量的3.6%和6.8%。

4 增加食物營養(yǎng)成分

缺乏維生素A會造成營養(yǎng)障礙問題，在以大米為主食和飲食多樣性有限的國家，這一問題的發(fā)生率較高。黃金大米的改造原理是對八氫番茄紅素合成酶（phytoene synthase，PSY）進行改進，PSY已被證明是大多數(shù)植物組織中合成類胡蘿卜素的主要限速酶[14]。Salim等[15]以臺北309種粳稻為實驗材料，通過農(nóng)桿菌介導法獲得原生質體，通過對其DNA的構建及一系列預實驗，證明粳稻胚乳中含有胡蘿卜素植烯的前體分子香葉素二磷酸，它可被PSY轉化為無色的胡蘿卜素植烯，通過引入胡蘿卜素去飽和酶CRTI取代PSY及胡蘿卜素異構酶(CRTISO)，并將植烯直接轉化為番茄紅素。并通過共轉化作用，獲得番茄紅素—β—環(huán)化酶的cDNA，它是β—胡蘿卜素合成途徑的關鍵組成部分，從而獲得了攜帶CRTI的轉基因水稻植株。這種水稻成熟后類胡蘿卜素含量可達1.6 mg/g。

Xie等[16]構建了啟動子強度表征系統(tǒng)，通過類胡蘿卜素的顏色變化進行識別，通過篩選，使得到的強啟動子對類胡蘿卜素合成途徑基因過表達，而分支競爭途徑基因的表達由弱啟動子下調(diào)，使底物能更快更多地進入目標代謝途徑。順利構建胡蘿卜素去飽和酶、植物烯合成酶的類胡蘿卜素生物合成基因，使β—胡蘿卜素（維生素A原）能夠在水稻中生物合成并積累。此外，Ronen等[17]基于前人的實驗過程，把細菌的八氫番茄紅素脫飽和酶基因轉入番茄，經(jīng)過培育，番茄果實的番茄紅素和β—胡蘿卜素的含量實現(xiàn)了大幅度提升。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素不僅對健康大有益處，還能調(diào)控植物生 長[18]。Dickinson[19]發(fā) 現(xiàn) 揮 發(fā) 性類胡蘿卜素β—cyclocitral是一種新的生長調(diào)節(jié)劑，同時也是一種生長調(diào)節(jié)劑的獨特前體，通過刺激單子葉和雙子葉植物的細胞分裂和根的生長來控制植物的根構型。因此有關類胡蘿卜素的改造，具有廣闊的應用前景，有望滿足農(nóng)業(yè)不斷增加的新需求。

5 結語

合成生物學在21世紀顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，隨著技術的演變與更新，與人們對健康食品的需求越來越相符，且其可操作性也在不斷提升。該技術的不斷發(fā)展，將會使食物安全成為更加廣泛的社會話題。國家有關部門需不斷提升安全衛(wèi)生監(jiān)管力度，優(yōu)化安全性能的評估體系，使轉基因食品的商業(yè)化及規(guī)?；l(fā)展變得更加順暢，得到人們更多的認可。在這種環(huán)境下，食品成分的升級及基因的組合，必將會得到更好的、對人們身體健康更為有利、同時也能更好地滿足不同群體特殊營養(yǎng)需求的食品，并帶動食品工業(yè)發(fā)生革命性的變化。