□ 孔红铭 赵楠星 陈秋平 浙江万里学院

合成生物学作为一个新兴的研究领域，能设计、控制和规范生化代谢过程，其目标是使生物学成为一门工程学科。合成生物学系统地设计了代谢路径，并产生了大规模的遗传因子，将会使食品生产乃至工业化学领域等都发生质的改变和突破，能有效解决目前人类发展过程中出现的各种问题，特别是资源、健康、环境等。生物系统具有较强的不可预测性，合成生物学能借助核心分子的不断升级与创新，丰富系统的生物功能，进而在功能上达到突破与重组。合成生物学在生物燃料、医疗、环保等方面的应用较多，近些年，由于专业的融合度逐渐深入，合成生物学跨学科交叉较多，有效地促进了不同领域的发展，使现代合成生物学技术不断的改革创新。合成生物学的发展促进了生物产业的健康发展，有效地促进了经济的长效提升。

现如今，合成生物学主要借助生物代谢结构，通过人工计算的合成重建某种生物的基因，进而完成细胞工程乃至合成体系的建设工作，这一原理在理论上可满足所有化合物的生成需求与标准，因此，该技术成为了工业化学行业、食品领域等的新兴技术与趋势。随着社会进步和科学发展，食品安全和风味的纯正与特色已成为当前人们对生活更高级的追求，在保证食品安全的前提下，不断改良食品的营养与风味，从而满足人们对健康食品的需要，如提高食物中某些优质蛋白和必需脂肪酸含量、适当减少糖类物质含量，并增加膳食纤维、改善食物色泽，增加食欲等。农业和食品工业的合成生物学涉及生物催化剂和活细胞（或其成分）的结合，以生产有价值的产品，同时也为设计和生产改进或新的农业和食品产品及其制造工艺提供了巨大的机会。

1 改善蛋白质中的氨基酸组成

蛋白质是人体维持正常生长代谢必不可少的重要营养成分之一，人体生长过程中需要的必须氨基酸只能通过饮食摄入，但植物性蛋白质由于氨基酸种类较少，人体长期只食用植物性蛋白质易形成营养缺乏，如禾本科植物的种子是人们经常食用的主食，但其缺少赖氨酸和色氨酸这两种必须氨基酸；豆类、蔬菜类也是人体日常食用量较大的植物食物，但其缺少甲硫氨酸和半胱氨酸[1]。其中，大豆蛋白的含量约占40%，是含量较多且组成成分均衡的植物蛋白质来源，大豆的植物蛋白能有效被人体利用，但缺乏甲硫氨酸，其含量远未达到世界卫生组织和联合国粮农组织所规定的食物标准氨基酸比例（每种必需氨基酸占总蛋白的3.5%)，数据表明，大豆的甲硫氨酸含量不足总蛋白含量的1/3，因人体自身不能合成，而且甲硫氨酸摄入量长期偏低会引起蛋白质的合成受阻，对人体损害较大。

通过基因选育和克隆的方式能对大豆中合成必需氨基酸的基因进行调整。陈宏伟等[2]长期进行大豆育种和改良项目研究，其研究成果能实现大豆营养成分的改良，他们对芦苇细胞进行处理，利用克隆手段提取出高甲硫氨酸蛋白基因，同时使用农杆菌介导法，将高甲硫氨酸蛋白基因整合到大豆基因组中，当这段基因成功表达后就能在大豆中生成高含量的甲硫氨酸。基因克隆及测速结果表明，这段基因编码区420 bp，编码139个氨基酸，其中含有21个甲硫氨酸。通过荧光标记法追踪，证明该基因片段可在大豆正常生长中表达，并且能提升甲硫氨酸的产量，经分析，增长幅度最高达51.11%。

2 碳水化合物的改良

2.1 改变不同淀粉的比例

水稻胚乳中的主要物质是淀粉，包括直链淀粉和支链淀粉，衡量稻米质量的重要指标是直链淀粉[3]，高直链淀粉含量的稻米在进行烹饪后会出现米粒发干和分离、温度降低后米粒硬度提升等现象，影响口感。因此，通过减少直链淀粉含量，可提升稻米的品质。Ma等[4]对Waxy基因的3个位点进行编辑，并对转化后的植株进行培养，获得T0代种子。对该种子进行淀粉含量分析，结果发现该种子直链淀粉的含量比野生型种子下降12%，且编辑后的粳稻品种口感类似于天然糯米品种。实验结果证明，Waxy基因的表达水平与直链淀粉水平成正相关，通过调控Waxy基因的表达改变水稻中直链淀粉含量是可行的。Liu等[5]在含有反义Waxy基因的水稻中发现直链淀粉含量降低的现象。

2.2 增加稀有糖的合成

目前，研究发现大多数稀有糖对机体有特殊的功能，能作为一些抗糖食物的添加剂，但稀有糖目前从自然界获取的来源有限，产量低，并且生产制备稀有糖的成本高于普通糖类，所以，目前市面上的稀有糖使用量非常有限[6]。在糖热量测验中天然甜味剂塔格糖的热量较低，与蔗糖相比，热量不及后者的1/2，将合成生物学技术应用于生产塔格糖，能大幅度降低成本。Liu等[7]利用微生物发酵法，以酿酒酵母为菌株来源，基于合成生物学策略剔除编码半乳糖激酶的GAL1基因，并且调整了木糖还原酶的表达，优化了半乳糖脱氢酶表达过程，可使塔格糖产量扩大数倍，达到37.69 g/L。代糖的广泛使用能促进制糖工业和生物工程的提升。Kim等[8]将来源于氧化葡萄糖杆菌G 624的山梨醇脱氢酶在大肠杆菌中进行表达，并运用固定化酶技术，成功将D—山梨醇转化为L—山梨糖的效率达到62.8%。

3 油脂的改良

3.1 增加油酸含量

对植物细胞中某些特定关键酶重复处理和调整，就可得到某些特定脂肪酸含量占优势的植物油。在我国消费食用油中，大豆油排名第一，但大豆中油酸含量并不高，甚至可以说处于缺乏的状态。改善大豆中油酸含量，较为有效的手段就是合成生物学技术。研究证实，可通过调控油酸合成关键基因（如GmFAD2基因）提升大豆的油酸含量，从而培育出高油酸大豆。国内由此获得的大豆油酸含量最高达80%左右，较对照品种提高了2～3倍，且总脂肪和总蛋白质含量及一些重要农艺性状未发生显著改变[9—10]。另外，针对高油酸含量大豆油的研究，美国DuPont公司也取得了成功，他们基于反义抑制与联合控制油酸酯脱氢酶，将硬脂酸—ACP脱氢酶的反义基因引入，从而使饱和脂肪酸含量降低，反之可将不饱和脂肪酸含量提升。经过这种工艺处理后的植物油，油酸含量超过了80%，但普通植物仅有24%[11]。

3.2 增加多不饱和脂肪酸含量

多不饱和脂肪酸（PUFA），如二十碳五碳六烯酸（EPA）和花生四烯酸（ARA）等，与胎儿胚胎期的大脑发育息息相关，对降低心血管疾病的发病率有重要贡献。海洋鱼类是人们饮食中PUFA的主要来源。虽然开花植物含有少量的PUFA，但它在已知的几种藓类植物中却能积累较高水平[12]。因此，可导入苔藓基因组中发现的PUFA生物合成基因，使模式植物的PUFA含量提高。黎明等[13]基于大豆种子的特异性启动子BCSP 952，在转基因大豆种子内推动Δ9延长酶基因IgASE 2、Δ8脱氢酶基因efd 2和Δ5脱氢酶基因ptd 5共表达，在大豆代谢过程建立Δ8合成途径用于合成EPA和ARA，取得了一定效果，而转基因大豆油中EPA、ARA的含量占总脂肪酸含量的3.6%和6.8%。

4 增加食物营养成分

缺乏维生素A会造成营养障碍问题，在以大米为主食和饮食多样性有限的国家，这一问题的发生率较高。黄金大米的改造原理是对八氢番茄红素合成酶（phytoene synthase，PSY）进行改进，PSY已被证明是大多数植物组织中合成类胡萝卜素的主要限速酶[14]。Salim等[15]以台北309种粳稻为实验材料，通过农杆菌介导法获得原生质体，通过对其DNA的构建及一系列预实验，证明粳稻胚乳中含有胡萝卜素植烯的前体分子香叶素二磷酸，它可被PSY转化为无色的胡萝卜素植烯，通过引入胡萝卜素去饱和酶CRTI取代PSY及胡萝卜素异构酶(CRTISO)，并将植烯直接转化为番茄红素。并通过共转化作用，获得番茄红素—β—环化酶的cDNA，它是β—胡萝卜素合成途径的关键组成部分，从而获得了携带CRTI的转基因水稻植株。这种水稻成熟后类胡萝卜素含量可达1.6 mg/g。

Xie等[16]构建了启动子强度表征系统，通过类胡萝卜素的颜色变化进行识别，通过筛选，使得到的强启动子对类胡萝卜素合成途径基因过表达，而分支竞争途径基因的表达由弱启动子下调，使底物能更快更多地进入目标代谢途径。顺利构建胡萝卜素去饱和酶、植物烯合成酶的类胡萝卜素生物合成基因，使β—胡萝卜素（维生素A原）能够在水稻中生物合成并积累。此外，Ronen等[17]基于前人的实验过程，把细菌的八氢番茄红素脱饱和酶基因转入番茄，经过培育，番茄果实的番茄红素和β—胡萝卜素的含量实现了大幅度提升。

近年来，有研究发现类胡萝卜素不仅对健康大有益处，还能调控植物生 长[18]。Dickinson[19]发 现 挥 发 性类胡萝卜素β—cyclocitral是一种新的生长调节剂，同时也是一种生长调节剂的独特前体，通过刺激单子叶和双子叶植物的细胞分裂和根的生长来控制植物的根构型。因此有关类胡萝卜素的改造，具有广阔的应用前景，有望满足农业不断增加的新需求。

5 结语

合成生物学在21世纪显现出巨大的发展潜力，随着技术的演变与更新，与人们对健康食品的需求越来越相符，且其可操作性也在不断提升。该技术的不断发展，将会使食物安全成为更加广泛的社会话题。国家有关部门需不断提升安全卫生监管力度，优化安全性能的评估体系，使转基因食品的商业化及规模化发展变得更加顺畅，得到人们更多的认可。在这种环境下，食品成分的升级及基因的组合，必将会得到更好的、对人们身体健康更为有利、同时也能更好地满足不同群体特殊营养需求的食品，并带动食品工业发生革命性的变化。