利用合成生物學(xué)改善食品營(yíng)養(yǎng)研究進(jìn)展

□ 孔紅銘 趙楠星 陳秋平 浙江萬(wàn)里學(xué)院

合成生物學(xué)作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，能設(shè)計(jì)、控制和規(guī)范生化代謝過(guò)程，其目標(biāo)是使生物學(xué)成為一門工程學(xué)科。合成生物學(xué)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了代謝路徑，并產(chǎn)生了大規(guī)模的遺傳因子，將會(huì)使食品生產(chǎn)乃至工業(yè)化學(xué)領(lǐng)域等都發(fā)生質(zhì)的改變和突破，能有效解決目前人類發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，特別是資源、健康、環(huán)境等。生物系統(tǒng)具有較強(qiáng)的不可預(yù)測(cè)性，合成生物學(xué)能借助核心分子的不斷升級(jí)與創(chuàng)新，豐富系統(tǒng)的生物功能，進(jìn)而在功能上達(dá)到突破與重組。合成生物學(xué)在生物燃料、醫(yī)療、環(huán)保等方面的應(yīng)用較多，近些年，由于專業(yè)的融合度逐漸深入，合成生物學(xué)跨學(xué)科交叉較多，有效地促進(jìn)了不同領(lǐng)域的發(fā)展，使現(xiàn)代合成生物學(xué)技術(shù)不斷的改革創(chuàng)新。合成生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了生物產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，有效地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)效提升。

現(xiàn)如今，合成生物學(xué)主要借助生物代謝結(jié)構(gòu)，通過(guò)人工計(jì)算的合成重建某種生物的基因，進(jìn)而完成細(xì)胞工程乃至合成體系的建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，因此，該技術(shù)成為了工業(yè)化學(xué)行業(yè)、食品領(lǐng)域等的新興技術(shù)與趨勢(shì)。隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展，食品安全和風(fēng)味的純正與特色已成為當(dāng)前人們對(duì)生活更高級(jí)的追求，在保證食品安全的前提下，不斷改良食品的營(yíng)養(yǎng)與風(fēng)味，從而滿足人們對(duì)健康食品的需要，如提高食物中某些優(yōu)質(zhì)蛋白和必需脂肪酸含量、適當(dāng)減少糖類物質(zhì)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(xué)涉及生物催化劑和活細(xì)胞（或其成分）的結(jié)合，以生產(chǎn)有價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)也為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)改進(jìn)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(jī)會(huì)。

1 改善蛋白質(zhì)中的氨基酸組成

蛋白質(zhì)是人體維持正常生長(zhǎng)代謝必不可少的重要營(yíng)養(yǎng)成分之一，人體生長(zhǎng)過(guò)程中需要的必須氨基酸只能通過(guò)飲食攝入，但植物性蛋白質(zhì)由于氨基酸種類較少，人體長(zhǎng)期只食用植物性蛋白質(zhì)易形成營(yíng)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(zhì)來(lái)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(yuǎn)未達(dá)到世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織所規(guī)定的食物標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)期偏低會(huì)引起蛋白質(zhì)的合成受阻，對(duì)人體損害較大。

通過(guò)基因選育和克隆的方式能對(duì)大豆中合成必需氨基酸的基因進(jìn)行調(diào)整。陳宏偉等[2]長(zhǎng)期進(jìn)行大豆育種和改良項(xiàng)目研究，其研究成果能實(shí)現(xiàn)大豆?fàn)I養(yǎng)成分的改良，他們對(duì)蘆葦細(xì)胞進(jìn)行處理，利用克隆手段提取出高甲硫氨酸蛋白基因，同時(shí)使用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法，將高甲硫氨酸蛋白基因整合到大豆基因組中，當(dāng)這段基因成功表達(dá)后就能在大豆中生成高含量的甲硫氨酸。基因克隆及測(cè)速結(jié)果表明，這段基因編碼區(qū)420 bp，編碼139個(gè)氨基酸，其中含有21個(gè)甲硫氨酸。通過(guò)熒光標(biāo)記法追蹤，證明該基因片段可在大豆正常生長(zhǎng)中表達(dá)，并且能提升甲硫氨酸的產(chǎn)量，經(jīng)分析，增長(zhǎng)幅度最高達(dá)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(zhì)是淀粉，包括直鏈淀粉和支鏈淀粉，衡量稻米質(zhì)量的重要指標(biāo)是直鏈淀粉[3]，高直鏈淀粉含量的稻米在進(jìn)行烹飪后會(huì)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(guò)減少直鏈淀粉含量，可提升稻米的品質(zhì)。Ma等[4]對(duì)Waxy基因的3個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行編輯，并對(duì)轉(zhuǎn)化后的植株進(jìn)行培養(yǎng)，獲得T0代種子。對(duì)該種子進(jìn)行淀粉含量分析，結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，Waxy基因的表達(dá)水平與直鏈淀粉水平成正相關(guān)，通過(guò)調(diào)控Waxy基因的表達(dá)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(duì)機(jī)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(lái)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(cè)驗(yàn)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(xué)技術(shù)應(yīng)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(lái)源，基于合成生物學(xué)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(dá)，優(yōu)化了半乳糖脫氫酶表達(dá)過(guò)程，可使塔格糖產(chǎn)量擴(kuò)大數(shù)倍，達(dá)到37.69 g/L。代糖的廣泛使用能促進(jìn)制糖工業(yè)和生物工程的提升。Kim等[8]將來(lái)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(jìn)行表達(dá)，并運(yùn)用固定化酶技術(shù)，成功將D—山梨醇轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)—山梨糖的效率達(dá)到62.8%。

3 油脂的改良

3.1 增加油酸含量

對(duì)植物細(xì)胞中某些特定關(guān)鍵酶重復(fù)處理和調(diào)整，就可得到某些特定脂肪酸含量占優(yōu)勢(shì)的植物油。在我國(guó)消費(fèi)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(shuō)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(xué)技術(shù)。研究證實(shí)，可通過(guò)調(diào)控油酸合成關(guān)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(guó)內(nèi)由此獲得的大豆油酸含量最高達(dá)80%左右，較對(duì)照品種提高了2～3倍，且總脂肪和總蛋白質(zhì)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(duì)高油酸含量大豆油的研究，美國(guó)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(guò)這種工藝處理后的植物油，油酸含量超過(guò)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(guān)，對(duì)降低心血管疾病的發(fā)病率有重要貢獻(xiàn)。海洋魚類是人們飲食中PUFA的主要來(lái)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(dǎo)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(dòng)子BCSP 952，在轉(zhuǎn)基因大豆種子內(nèi)推動(dòng)Δ9延長(zhǎng)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(dá)，在大豆代謝過(guò)程建立Δ8合成途徑用于合成EPA和ARA，取得了一定效果，而轉(zhuǎn)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(yíng)養(yǎng)成分

缺乏維生素A會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)障礙問(wèn)題，在以大米為主食和飲食多樣性有限的國(guó)家，這一問(wèn)題的發(fā)生率較高。黃金大米的改造原理是對(duì)八氫番茄紅素合成酶（phytoene synthase，PSY）進(jìn)行改進(jìn)，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(tái)北309種粳稻為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法獲得原生質(zhì)體，通過(guò)對(duì)其DNA的構(gòu)建及一系列預(yù)實(shí)驗(yàn)，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(zhuǎn)化為無(wú)色的胡蘿卜素植烯，通過(guò)引入胡蘿卜素去飽和酶CRTI取代PSY及胡蘿卜素異構(gòu)酶(CRTISO)，并將植烯直接轉(zhuǎn)化為番茄紅素。并通過(guò)共轉(zhuǎn)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(guān)鍵組成部分，從而獲得了攜帶CRTI的轉(zhuǎn)基因水稻植株。這種水稻成熟后類胡蘿卜素含量可達(dá)1.6 mg/g。

Xie等[16]構(gòu)建了啟動(dòng)子強(qiáng)度表征系統(tǒng)，通過(guò)類胡蘿卜素的顏色變化進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)篩選，使得到的強(qiáng)啟動(dòng)子對(duì)類胡蘿卜素合成途徑基因過(guò)表達(dá)，而分支競(jìng)爭(zhēng)途徑基因的表達(dá)由弱啟動(dòng)子下調(diào)，使底物能更快更多地進(jìn)入目標(biāo)代謝途徑。順利構(gòu)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(shí)驗(yàn)過(guò)程，把細(xì)菌的八氫番茄紅素脫飽和酶基因轉(zhuǎn)入番茄，經(jīng)過(guò)培育，番茄果實(shí)的番茄紅素和β—胡蘿卜素的含量實(shí)現(xiàn)了大幅度提升。

近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素不僅對(duì)健康大有益處，還能調(diào)控植物生 長(zhǎng)[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(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，同時(shí)也是一種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的獨(dú)特前體，通過(guò)刺激單子葉和雙子葉植物的細(xì)胞分裂和根的生長(zhǎng)來(lái)控制植物的根構(gòu)型。因此有關(guān)類胡蘿卜素的改造，具有廣闊的應(yīng)用前景，有望滿足農(nóng)業(yè)不斷增加的新需求。

5 結(jié)語(yǔ)

合成生物學(xué)在21世紀(jì)顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，隨著技術(shù)的演變與更新，與人們對(duì)健康食品的需求越來(lái)越相符，且其可操作性也在不斷提升。該技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)使食物安全成為更加廣泛的社會(huì)話題。國(guó)家有關(guān)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(píng)估體系，使轉(zhuǎn)基因食品的商業(yè)化及規(guī)模化發(fā)展變得更加順暢，得到人們更多的認(rèn)可。在這種環(huán)境下，食品成分的升級(jí)及基因的組合，必將會(huì)得到更好的、對(duì)人們身體健康更為有利、同時(shí)也能更好地滿足不同群體特殊營(yíng)養(yǎng)需求的食品，并帶動(dòng)食品工業(yè)發(fā)生革命性的變化。