在全球粮食需求持续增长与气候变化影响日益突出的背景下，传统农业蛋白生产模式面临着资源消耗高、环境影响大等可持续性挑战。合成生物学技术为微生物蛋白生产开辟了新的技术路径。

中国科学院天津工业生物技术研究所吴信研究员团队从技术迭代的角度，全面梳理了微生物蛋白生物制造的变革，系统总结了利用液态（甲醇）、气态（CO₂、甲烷）和固态（木质纤维素）等非粮原料规模化合成微生物蛋白的前沿技术突破，揭示了合成生物学与交叉技术创新如何重塑微生物蛋白生物制造系统。本团队前期的工作围绕甲醇作为一种可再生的C1化合物以及与二氧化碳氢化合成技术的重大突破，通过碳氮协同耦合代谢工程与基因组扰动等多重策略，有效提升天然甲基营养菌中甲醇向单细胞蛋白的定向转化效率，进而突破工业菌株性能极限，为利用甲醇作为碳源生物制造微生物蛋白大规模工业化生产提供了关键技术支持；在气态非粮生物制造微生物蛋白方面，通过构建大肠杆菌中的光-暗反应能量适配器，实现光驱动CO₂同化的全细胞催化过程；通过电催化-生物耦合技术，可将电化学还原CO₂生成的甲酸盐与微生物同化模块精准对接，为气态非粮原料的转化技术开辟了负碳生物制造微生物蛋白的新维度；在固态非粮原料生物合成微生物蛋白技术方面，该团队通过机器学习模型，基于木质纤维素结构特性破译出降解酶系组成的新算法，进而摆脱复杂性底物结构-多样性酶系构效关系的实验先验，精准定制了多种地源性木质纤维素来源的微生物蛋白，达到地源性农业废弃物资源利用与微生物蛋白生物合成“一草双收”效果。这些创新转化模式不仅提升了农业废弃物资源化利用经济价值，更开辟了农业废弃物规模化生物合成微生物蛋白的工业化新路径。

相关成果分别在Trends in Biotechnology和Biotechnology Advances期刊发表综述文章，系统阐述了非粮原料生物制造微生物蛋白的技术突破，体现了合成生物学与交叉学科融合对可持续蛋白质生产的推动作用。未来研究趋势将聚焦于底盘细胞的超进化设计、负碳制造系统的闭环整合，以及AI驱动的智能生物制造平台构建，为粮食安全提供可持续蛋白替代，助力碳中和目标。

相关研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。天津工业生物技术研究所高乐副研究员为论文第一作者，吴信研究员和高乐副研究员为共同通讯作者。

论文链接 1  2

非粮原料生物制造可持续蛋白挑战与实践策略

基因组尺度代谢模型与合成生物学技术重构了K. phaffii的代谢网络拓扑结构推动了K. phaffii底盘工程化的革命性变革