美国加州大学生物工程系研究人员在Nature子刊《Nature Communications》发表了题为“Edible mycelium bioengineered for enhanced nutritional value and sensory appeal using a modular synthetic biology toolkit”的研究性论文。

全球粮食系统已被认定为导致气候变化的主要因素之一。据估计，粮食生产占全球温室气体排放量的三分之一，并导致广泛的环境退化、生物多样性丧失和新疾病的出现。将粮食生产从资源密集型的工业化畜牧业转向包括微生物工艺在内的替代方法，对于缓解这些对地球的负面影响以及可持续地养活不断增长的全球人口（预计到 2050 年将超过 90 亿）至关重要。在众多应用中，作为生产对环境有负担的小分子和蛋白质以及生产可直接食用的营养生物质的宿主，微生物可用于升级回收副产品。与畜牧业相比，微生物食品生产可提高资源效率和安全性，实现更精准的生产控制，减少动物痛苦，并降低环境足迹。

丝状真菌是包括霉菌和蘑菇在内的一类多样微生物，与其他用于微生物食品生产的宿主相比，其具有若干优势（图 1A）。除了许多真菌长期以来被安全用于制作美味发酵食品外，这些生物天生强大的分泌能力使其成为生产食品用蛋白质及其他用途蛋白质的理想宿主。此外，许多真菌能快速降解食品副产物或木质纤维素等复杂基质并在其上面生长，这可减轻与葡萄糖等高纯度基质相关的成本和环境负担。最后，由于其丝状形态模拟了动物肌肉的结构，真菌生物质（菌丝体）可被制成具有逼真口感的肉类替代品（真菌蛋白），并在细胞农业中用作adherent动物细胞的支架。最近的一项生命周期评估显示，到 2050 年用真菌蛋白替代 20% 的动物蛋白可降低甲烷排放，并将森林砍伐及相关二氧化碳排放减少一半，这凸显了真菌食品切实的环境效益。

真菌食品生产是一个快速发展的领域，蕴含着巨大的商业利益和潜力。目前，欧洲、美国和亚洲市场上已涌现出越来越多基于真菌的肉类和乳制品替代品。尽管这些产品展现了真菌在可持续食品生产中惊人的多功能性和商业前景，但大多数现有产品仅基于有限的非工程菌株，这些菌株在代谢能力、结构特性和工业生产能力方面存在固有局限。基因工程有望突破这些限制，并进一步超越自然存在的生物多样性，为真菌在人类食品生产中的新用途和应用开辟道路。例如，在里氏木霉（在传统上用于酶生产的工业真菌）中的一种合成基因表达工具最近实现了克级规模的蛋清和乳蛋白生产。然而，与许多其他工业真菌一样，里氏木霉从未有过被人类安全或适口食用的历史，这限制了该真菌在食品领域的应用场景，比如用于高效且可持续地生产供人类食用的真菌生物质。将此类合成生物学工具和方法拓展到历史上已被食用、具备食品安全性的可食用真菌中，能够拓展真菌食品生产的工程化可能性，包括改良发酵食品以及改变真菌蛋白的特性，以更好地满足人类的饮食需求和偏好。但目前，针对历史上被食用的、具有食品安全性的丝状真菌，其用于生物工程食品生产的合成生物学工具及已验证的应用案例仍较为缺乏。

在此，我们为米曲霉（一种具有悠久安全可食用历史的真菌）开发了模块化合成生物学工具包，并验证了其在改良真菌食品中的适用性。该工具包包含用于精准高效基因编辑的 CRISPR-Cas9 方法、靶向基因插入的中性位点，以及可调控启动子（包括双向启动子）和不受培养基成分影响的强表达合成系统。我们利用这些工具改造食用真菌生物质的营养价值与感官特性，以应用于替代肉类领域。工程菌株可过量合成麦角硫因（一种强效抗氧化剂），其含量超过蘑菇（人类饮食中该分子的主要来源）。此外，我们通过构建八步血红素生物合成通路，使食用生物质中的血红素含量接近市售添加血红素以提升风味和色泽的主流植物肉产品。与植物基蛋白不同，经工程改造的真菌生物质无需复杂加工、蛋白纯化或添加成分，即可直接制成类肉肉饼。本研究不仅展示了生物工程改造食用真菌的潜力，更为跨领域应用的真菌提供了具有实用价值的合成生物学工具与方法。

Fig. 1: A recyclable RNP-based CRISPR-Cas9 method for efficient gene integration and expression in A. oryzae.

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46314-8