毕赤酵母甲醇诱导(毕赤酵母菌的发酵工艺)

甲醇蛋白是以甲醇为碳源培养微生物产生的单细胞蛋白。具有成本低、质量稳定可控等优点。甲基蛋白也被认为是食品和饲料蛋白的有效替代品。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所吴鑫研究员领衔的营养资源合成生物学团队在“蛋白质饲料生物工程制造前沿技术及新产品创制”项目的支持下，生物合成一碳甲醇单细胞中的原材料。蛋白质研究取得新突破。该研究为解析毕赤酵母碳氮源高效利用和甲醇蛋白定向合成调控机制提供了新的策略，也为突破甲醇蛋白生物制造的经济门槛奠定了基础。相关研究成果发表在国际期刊《微生物细胞工厂》和《生物燃料与生物产品技术》上。

甲醇蛋白可替代天然植物蛋白

目前，我国大宗农产品对外依存度仍然较高。其中，大豆等蛋白质原料对外依存度已连续十多年超过80%。对进口营养资源的高度依赖，严重威胁我国粮食供应安全。寻找新的蛋白质资源来替代大豆等农作物蛋白已刻不容缓。

“单细胞蛋白被认为是食品和饲料蛋白生产的重要替代品。这种蛋白是通过微生物发酵产生的细菌蛋白。”吴鑫介绍，细菌中的蛋白质含量高达40%-85%，远比天然植物中的蛋白质含量高。同时，细菌细胞氨基酸成分齐全，利用率高。它们还含有维生素、无机盐、脂肪和糖等营养成分，可部分替代鱼粉、大豆、肉类和脱脂奶粉。

与通过传统种植方式获取蛋白质相比，单细胞蛋白质的生产不受自然环境影响，产量更高。同等产量下，单细胞蛋白质生产的土地利用效率比农作物种植高1000倍以上。

单细胞蛋白可以通过制糖、造纸、淀粉生产、木材加工等产生的副产物发酵生产。但这些副产物的供应不稳定，导致单细胞蛋白产量较低。相比之下，甲醇蛋白的工业化生产前景广阔。 “在一系列单碳化合物中，甲醇储量丰富、价格低廉、易于运输和储存，是化学工业和生物制造的理想单碳资源。”吴鑫表示，甲醇还原性也很高，可以作为甲醇的替代品。蛋白质生物合成提供了额外的驱动力。

另外，我国煤炭资源丰富。利用煤副产甲醇作为碳源生产单细胞蛋白，不仅提供了稳定的碳源供应，而且通过微生物同化一碳化合物，减少了碳排放，有效促进了原料资源的供应。饲料工业。煤炭副产品高效清洁利用。

高效合成甲醇蛋白的改良菌株

目前，常见的能够以甲醇为碳源合成甲醇蛋白的微生物有毕赤酵母、谷氨酸棒杆菌等。在毕赤酵母的甲醇代谢途径中，甲醇首先被氧化为甲醛。部分甲醛会进入异化途径，进一步氧化成二氧化碳和水；另一部分甲醛会进入同化途径，通过木糖单磷酸途径进入中枢代谢，促进细菌的生长和代谢。

“甲醇的代谢途径复杂，进入异化途径的比例难以控制。而且，甲醇本身具有生物毒性，造成的碳损失往往超过原料整体利用率的20%。目前“甲醇代谢流无法高效、定向转化为细菌蛋白，是制约甲醇蛋白合成成本进一步降低的主要技术瓶颈。”吴鑫说。

为了解决上述问题，团队从全国多个省份的葡萄园、森林、沼泽等地采集了2万多个样品，筛选出能够高效利用多种糖源、低羟基醇和以野生型毕赤酵母菌株为起始菌株，通过实验室适应性进化，获得了甲醇利用率高、耐高温的毕赤酵母菌株。转录组和表型分析表明，该菌株同化途径和异化途径的通量均减少，酵母细胞达到了新的代谢平衡，实现了代谢途径碳损失的减少。

在进一步的研究中，团队发现细胞壁重塑是毕赤酵母细胞在进化过程中应对高温应激的适应性反应。研究人员通过强化氮代谢途径的关键基因和削弱细胞壁合成来提高获得的毕赤酵母菌株的蛋白质含量。最后，在33C 的中试规模补料分批培养中，使用甲醇作为来源获得了蛋白质含量。用于高水平生产单细胞蛋白质的单一碳源。

进一步突破工业菌种生产门槛

自20世纪60年代以来，世界许多国家开始研究、开发和生产甲醇蛋白。到20世纪70年代末，全世界有近千个单位从事这项研究。我国对甲醇蛋白的研究还不算太晚。我国早在1984年就将甲醇蛋白列为饲料工业发展的重要产品之一。但目前国内甲醇蛋白行业竞争程度仍较低。多数企业技术水平有限，产品质量差异较大，市场竞争力不足。

“早些年，我们的设备装备比较落后，技术上很难突破，缺乏优良的野生菌种资源和先进的生产工艺。这些问题导致生产成本居高不下，限制了规模化生产。我国甲醇蛋白产业得到了一定的发展。”中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员高乐说。

本研究培育出一株具有自主知识产权、能高效合成甲醇蛋白的毕赤酵母菌株。粗蛋白含量达到67.2%，甲醇-蛋白质转化效率达到理论值的92%。它是第一个以甲醇为唯一二氧化碳的菌株。单细胞蛋白的源头生产提供了经济的毕赤酵母细胞工厂。目前，研究团队已尝试将此成果转化为应用，并在企业实现万吨级工业示范。

“未来，我们还将引入人工智能系统，加速对现有具有自主知识产权的菌种的迭代升级，实现产业菌种-工业原料-发酵工艺/设备之间的高度契合，进一步突破工业菌株的生产门槛。”吴鑫表示，提高甲醇蛋白的生理功能和营养价值以及扩大以甲醇蛋白为核心的衍生功能蛋白市场是甲醇蛋白未来发展的两个重要方向。这可以进一步降低甲醇蛋白的生产成本，提高甲醇蛋白的附加值，促进甲醇蛋白的规模化生产。 （陈曦）