无肉不欢！看合成生物学如何让植物具有“肉味”？

“无竹令人俗，无肉使人瘦。不俗又不瘦，竹笋焖猪肉”。

一千多年前的某次聚会上，“诗神”苏轼写下了这样一首有趣的打油诗，传神地表达了人们对于肉食的喜爱和赞叹。

肉类，无疑是营养价值极高的美味食品，除了作为优质的蛋白质来源，肉类中还含有丰富的脂质、锌、血红素铁、维生素B等，这些都是人体健康所必需的。另外，一些肉类中的蛋白质，如明胶蛋白等，由于其良好的凝胶性、乳化性、保水性，在食品工业中也发挥了非常重要的作用。

    肉类需求量激增，亟需 “ 新突破 ”    

21世纪以来，随着世界人口的增长，人类对于肉类的需求量也激增。WHO预测，到2030年，全球每年的人均肉类消费量将增加到45.3公斤，这样的话，肉类工业生产大约需要增加50-72%，才能满足对应人口的粮食需求。

然而，肉类食品的发展也带来了诸多严峻的问题。

一方面，畜牧业属于资源密集型产业。据统计，畜牧业占据了全球农业用地的70%，消耗了全球27%的淡水资源。并且，肉类生产排放的温室气体也占到全球总排放量的18%，甚至超过了交通运输业(13%)。另一方面，肉制品含有较高比例的胆固醇和饱和脂肪酸，这与心血管疾病，高胆固醇，癌症等代谢类疾病的发生密切相关。另外，肉类中还可能含有一些病原体，如禽流感、沙门氏菌等，这些都威胁着消费者的健康。

而人造肉的出现，则有望在满足人们肉类需求的同时，解决相关的环境污染和健康问题。

人造肉主要有两种类型：

第一种为“植物肉”，这是一种以大豆、小麦等植物蛋白为基础，经过挤压、静电纺丝等加工技术制成的食物，又被称为素肉。在我国，“植物肉”已有上千年的食用历史，早在唐代就有“以素托荤”的烹饪方法，据《北梦琐言》记载，“宴诸司以面及蒟蒻之类染作颜色用，像豚肩、羊脯、臑炙之属，皆逼真也。时人比于梁武”。

然而，尽管“植物肉”的蛋白含量丰富、价格便宜，但它只能用香精产生“肉味”，并不能很好地还原肉的口感和香味。

第二种是“细胞培养肉”，其主要成分是以体外培养的动物干细胞为基础，通过细胞组织工程的方法，直接由细胞合成的动物蛋白。尽管细胞培养肉含有天然的动物蛋白，但细胞培养却难以模拟肉类的纤维组织，且培养基的成本也较高，目前尚处于研发阶段。

综上，我们不难发现，植物蛋白的生产工艺成熟、成本低，但口感较差；而动物蛋白则正好相反，它的口感与肉类几乎相同，但生产成本高，难以大规模生产。

   植物肉or细胞培养肉？新型人造肉出现   

那么，我们能否结合这二者的优点，开发一款新型的人造肉呢？

答案是肯定的，美国Impossible Foods是一家致力于用植物替代肉类的公司。他们基于合成生物学的理念，先从分子水平研究“肉味”的机制，然后从植物中选择蛋白和营养素，最终用植物蛋白还原了肉制品的口感和营养。2016年，该公司的招牌产品Impossible Burger就是一款基于植物蛋白的、具有“肉味”的汉堡肉饼。食客们都表示，难以分辨它与真实的牛肉汉堡。

那么，这款用植物替代肉类的产品究竟有什么独特之处呢?

首先，为了制造出更逼真的肉，科学家们需要先搞清楚产生“肉味”的机制。我们知道，肉制品的主要成分是肌肉，而肌肉最大的特点就是呈红色，这是因为其中含有大量的血红素。血红素是能够携带氧气、维持生命基本活动的基础分子，几乎所有的动植物都含有血红素，但动物血红素的含量要比植物的含量高1000多倍。

Impossible Foods的研究者发现“肉之所以有肉味”的关键就是血红素。在食物烹饪过程中，血红素能作为一种催化剂，产生数百种挥发性化合物，并形成独特的肉香味。而更有趣的是，人们发现大豆植物的根瘤部位也天然存在着血红蛋白，这也被形象地称为“植物血”。最终，在加入大豆血红蛋白后，植物来源的人造肉变得更粉红、更血腥、更肉质。

然而，如何高效地生产大豆血红蛋白又是一个问题。虽然人们可以直接从大豆植物中提取血红蛋白，但这种方法的产量较低、消耗资源较大。为了克服这一难题，Impossible Foods团队决定通过基因工程的方式进行血红素的异源表达。

蛋白的异源表达是指利用细菌、酵母、昆虫细胞、哺乳动物细胞或者植物细胞表达外源基因蛋白的一种分子生物学技术。毕赤酵母表达系统由于低成本、高产出、具有翻译后修饰等优点而被广泛应用。科学家可以将外源基因整合到酵母的基因组上，赋予酵母合成新型化合物的能力。

这些外源基因都来源于豆科植物，参与了血红素的合成通路。如下图所示，初始底物ALA经历了复杂的化学反应后，最终得到了产物血红素。这些反应都由蛋白酶进行催化，包括脱氢酶（Dehydratase）、脱氨酶（Deaminase），合成酶（Synthase）等。科学家将这些基因都导入毕赤酵母之后，酵母也获得了合成血红素的能力。

最终，在精确的发酵条件下，毕赤酵母中就会在发酵罐中产生泡沫状的红色“植物血液”。再经过过滤和蛋白纯化，科学家最终就获得了高产量、高纯度的大豆血红蛋白。2018年7月，Impossible Foods的这种通过发酵获得的血红蛋白，通过了FDA的安全审查，可作为人造肉的营养成分和着色剂。

未来，Impossible Foods计划进一步研究牛肉汉堡“美味”的分子机制。科学家们将气相色谱质谱联用仪连接到烧烤架上，研究挥发性分子与神经愉悦之间的联系。在找到关键的“香气分子”之后，科学家们就可以将其加入到汉堡中，像血红素一样，让人造肉更加美味。

Make the impossible possible，这就是合成生物学最大的魅力。通过代谢工程的研究，科学家可以将任意一种天然化合物的合成酶体系，移植到微生物中，进行大规模发酵生产。除了血红素，已经有越来越多的天然食品添加剂出现，如维生素E、甜叶菊、乳清蛋白等。它们不仅让食物变得更加营养美味，也让生产过程更加绿色高效。

相信未来，还会有更多impossible等着我们去实现。

更多补充：

2020年，Impossible Foods在6轮融资中，筹集了14亿美元的资金，估值为40亿美元。

图 | Impossible Foods多轮融资情况

参考文献：

1. https://impossiblefoods.com/cn

2. Voigt C. A. (2020). Synthetic biology 2020-2030: six commercially-available products that are changing our world. Nature communications, 11(1), 6379. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20122-2

3. Shi, S., Wang, Z., Shen, L., & Xiao, H. (2022). Synthetic biology: a new frontier in food production. Trends in biotechnology, 40(7), 781–803. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.01.002

4. Varadan, R. et al. Ground Meat Replicas (Impossible Foods Inc., 2019).

5. Shankar, S. & Hoyt, M. A. Expression Constructs and Methods of Genetically Engineering Methylotrophic Yeast, (ed USPTO) (Impossible Foods, USA, 2020).

6. 王圣楠, 马月辉, 赵桂苹, 蒋琳. 人造肉类技术特点和需求分析[J]. 畜牧兽医学报, 2020, 51(11): 2641-2650.  

7. 李学杰,李健. 动物蛋白替代品“人造肉”的研究进展[C]//.第二届国际食品安全与营养健康高峰论坛论文集.[出版者不详],2020:13-17.

8. 刘芳,王盼娣,熊小娟,张小波,吴刚.人造肉技术发展现状、安全性评价和监管以及消费者接受度[J].中国食物与营养,2022,28(01):5-9+56.

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作者/叶胧

审核/莫十二、捉蝴蝶的猫

编辑/果粒珍珍

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