《中国食品学报》特约文章推荐——《微生物利用无机氮生产有机氮》/中国食品科学技术学会

氮代谢不仅是微生物细胞的基本代谢过程，也是氨基酸和蛋白质生物合成的关键瓶颈。在微生物细胞中，NH4+在谷氨酸脱氢酶与谷氨酰胺合成酶等相关酶的作用下合成谷氨酸和谷氨酰胺，经转氨作用合成其它氨基酸，掺入蛋白质合成。本文重点关注铵的生物合成途径，即向自然界要铵；介绍利用铵合成蛋白质减量替代的氨基酸，即向微生物要氨基酸；利用氨基酸合成蛋白质，即向微生物要蛋白，并展望未来利用微生物细胞工厂生产氨基酸与蛋白质的发展方向。

1 微生物利用氮源生产铵盐

氮元素是生物合成蛋白质、核酸的关键元素。氮在自然界中以气态氮（N2、NO、N2O）、硝态氮（NO3-、NO2-）、联氨（N2H4）、羟胺（NH2OH）等形式存在，微生物通过生物固氮、硝酸盐同化等氮代谢途径，将自然界中不同形式的氮转变为NH4+，从而掺入蛋白质、核酸等有机氮的合成中。

（图为自然界中的氮循环）

2 微生物生产饲用氨基酸

随着人民生活水平不断提高，动物产品的人均消费量逐年增加，2021年我国人均肉类、禽蛋、奶类消费量分别为70，24，42 kg，导致2021年我国养殖业消耗4.5亿t饲料，其中豆粕（蛋白）消耗量为6800万t，占比15.3%；导致2021年我国大豆进口量为9652万t，对外依存度为85.66%，严重威胁养殖行业的健康发展。在中美贸易摩擦的背景下，如何减少豆粕使用，对保障养殖行业健康发展和人民生活水平提高具有重要意义。2021年3月，农业农村部推荐减少豆粕用量的重要举措之一是：在饲粮中补充必需氨基酸，降低动物日料中蛋白质水平。小品种氨基酸的添加能有效提高动物生长性能，改善肠道微生物，提高免疫力、减缓应激，在降本增效中发挥着重要作用。

（图为代谢工程改造微生物细胞工厂生产饲用氨基酸）

3 微生物生产单细胞蛋白

蛋白质是生命活动的主要承担者，在人体身体健康与生长发育过程中具有不可替代的作用。长期以来，人们主要通过畜牧业获取肉、蛋、奶等产品作为蛋白质的主要来源。基于传统畜牧业的蛋白生产能力，难以满足人们日益增长的蛋白质需求。随着合成生物学、系统代谢工程等新兴生物技术的发展，人们开发了利用非致病和非产毒的酵母菌、真菌、藻类和细菌，生产营养价值高、原料来源广、培养周期短的单细胞蛋白（SCP），实现了向微生物要蛋白。

（图为微生物细胞工厂生产单细胞蛋白）

4 展望

利用合成生物学、系统代谢工程等新兴生物技术构建的微生物细胞工厂，实现了向自然界要铵、向微生物要氨基酸和向微生物要蛋白，在满足人体营养需求的前提下，有效减少土地资源、淡水资源的利用和温室气体的排放。氮素不仅是氨基酸与蛋白质的重要组成部分，也是动植物生长的必需元素之一。围绕生物固氮等氮代谢途径，开发新型生物固氮技术，克服天然固氮体系缺陷，创制新一代人工高效固氮技术是未来的研究方向。目前，微生物细胞主要以“粮食生物质”淀粉作为原料的第1代生物炼制技术进行微生物氨基酸和微生物蛋白质合成，存在“与人争粮，与粮争地”等问题。为了解决这个问题，可以开发以木质纤维素等非粮生物质作为原料的第2代生物炼制技术。CO2作为自然界含量丰富的碳源，预计到2050年CO2排放量将增加到500亿t/年，利用CO2作为微生物细胞工厂的原料，不仅可以实现“不与人争粮，不与粮争地”的目标，而且可以减少CO2排放，为实现碳达峰与碳中和提供一条有前景的发展路线。虽然通过科研人员的不断努力，赋予或者强化了微生物细胞工厂的固定CO2的能力，但是微生物细胞工厂大规模利用CO2生产目标化学品还缺乏市场竞争力，迫切需要捕碳元件与能量供给方面的突破。