乳蛋白重組表達與人造奶生物合成：全球專利分析與技術發展趨勢

周正富，龐雨，張維，王勁，燕永亮，鄭迎迎，陳敏，廖志華，林敏，

（1 中國農業科學院生物技術研究所，農業部農業基因組學重點實驗室，北京 100081； 2 中國科學院天津工業生物技術研究所，工業酶國家工程實驗室，天津 300308； 3 國家合成生物技術創新中心，天津 300308； 4 西南大學，西南大學-西藏農牧學院藥用植物聯合研發中心，重慶 400715）

目前，全球對乳制品的需求量不斷增加。隨著全球人口和發展中國家經濟增長，全球奶類供需年均增長率達2.3%。未來十年內，中國將持續保持乳制品進口勢頭，預計到2028 年鮮奶進口量將達90 萬噸［1］。天然動物奶及其乳制品是最理想的蛋白營養來源，其營養成分主要是乳蛋白，同時還含有生物活性肽、脂肪、乳糖、維生素和礦物質等［2-3］。但另一方面，因含有各種致敏原，天然動物奶是嬰幼兒群體中排在首位的致敏食物［4］。此外，牛奶含有4.6%左右的乳糖，導致乳糖不耐受人群食用后出現腹脹及腹瀉等不良癥狀。特別是近年來，動物奶生產還普遍存在養殖成本高、飼料資源短缺、抗生素濫用、環境污染嚴重、疫病防控形勢嚴峻等問題，亟待產業升級換代［5-6］。

面對乳制品生產的可持續性、公共衛生以及動物福利等問題，植物源或動物源的乳蛋白替代技術的研發逐步受到廣泛關注，并已取得了實質性的進展，但在風味、口感和功能特性等方面還存在許多亟待解決的問題［7-8］。近年來，信息科學、生命科學和工程科學等學科交叉融合，驅動基因編輯、合成生物學、全基因組選擇等前沿生物技術快速發展，為全球食品生產提供變革性的生產方式，培育孵化未來食品和細胞農業等戰略性新興產業。利用合成生物技術等顛覆性創新技術手段，構建具有特定合成能力的細胞工廠，生產人類所需的淀粉、蛋白質、油脂、糖、奶、肉等各類農產品，近年來已取得重要進展［9-10］。2014 年，美國一家基于“細胞農業”（cellular agriculture）概念的生物科技初創公司完美日（Perfect Day）公司提出人造奶（animal-free milk）概念，設計改造酵母細胞工業化發酵牛乳蛋白（如乳清蛋白和酪蛋白）以及相應營養成分，實現人造乳制品的精準營養和綠色制造［11］。隨著越來越多的食品企業開始嘗試合成生物技術，在實驗室中制作的動植物基人造肉、人造蛋和人造母乳等產品不斷涌現，美國Perfect Day 公司和以色列人造奶（Remilk）公司相繼在2019 年開發出牛乳蛋白微生物合成新工藝，引領人造合成食品領域成為新的投資風口。

乳蛋白主要由酪蛋白和乳清蛋白組成，分別約占蛋白總量的80%和20%［12］。乳清中主要含有β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、乳鐵蛋白、脂肪球膜蛋白以及免疫球蛋白等［13-15］。乳蛋白表達是人造奶生物合成的核心，主要是指采用基因工程和細胞工廠等技術手段，高效表達動物奶中的各種蛋白質組分。當前，人造奶研究正處于生產工藝突破和產品商業化的初創階段，在重要乳蛋白組分的高效合成以及人造奶制品生產工藝等方面存在亟待突破的技術瓶頸。智慧芽數據庫是一款全球專利檢索數據庫，深度整合了從1790 年至今的全球116 個國家地區的1.5 億專利數據，提供精準、及時的研發情報。本文通過對智慧芽數據庫進行全面檢索（截止到2020 年12 月），共獲得362 條與乳蛋白重組表達和人造奶生物合成相關的專利文獻，經過人工篩選降噪，最終明確175 項專利申請。在此基礎上，對乳蛋白重組表達和人造奶生物合成相關技術的發展歷程、研發現狀、未來發展趨勢及生物安全和倫理問題進行了系統分析。

1 國內外研發概況

1.1 發展歷程

乳蛋白表達研究始于20 世紀90 年代，隨后以乳腺生物反應器為核心的生物技術公司相繼出現，包括美國基因藥物國際有限公司、美國威斯康星乳制品營銷管理局、瑞典斯比克姆股份有限公司、美國雅培公司和蘇格蘭醫藥蛋白有限公司等，其核心技術是通過轉基因動物家畜的乳汁來獲取乳蛋白。該過程獲得的乳蛋白經修飾加工，具有穩定的生物活性，可直接用于食品加工［16］。2000—2010 年的10 年間，利用植物組織細胞和葉綠體構建植物表達系統，打造乳蛋白生產的植物生物反應器，人造奶的研發迎來新一輪發展浪潮［17］（圖1）。近十年來，基于基因組和系統生物學的合成生物學掀起了第三次生物技術革命，人造奶研究也取得了突破性的進展，如利用一系列模式微生物和植物作為底盤細胞工廠，高效表達乳蛋白［18］；采用精細化工技術，開展乳制品人工組合物、風味物質研究與應用［19-20］。我國人造奶技術起步較晚，第一個發明專利由復旦大學于2003 年申請，涉及利用植物反應器生產乳鐵蛋白技術（CN1544641A）［21］。

圖1 人造奶相關專利申請量年度變化Fig.1 Annual statistic for the number of patents related to animal-free milk

1.2 競爭態勢

在全球范圍內，水產動物產品、谷類和牛奶是人類食用蛋白質的三大來源，其中牛奶蛋白占全球食物蛋白供應量的10%。根據2021 年波士頓咨詢公司（BCG）和Blue Horizon 聯合發布的研究報告（Food for thought：the protein transformation），由于動物蛋白資源短缺和生物技術創新推動，未來十五年內動植物或微生物基的替代蛋白產品將占據22%的全球食用蛋白市場份額，產業規模達到2900 億美元。預示著以人造奶為代表的未來食品將逐步占據傳統餐桌，在相關技術知識產權保護上引發激烈的國際競爭［22］。

為研究人造奶相關技術全球專利申請的主要來源地分布，本研究對每項專利申請的最先申請國等數據進行分析。由于專利申請人一般會優先選擇自己所在國家申請專利，相關分析數據可以反映各個國家和地區在人造奶及相關乳蛋白重組表達領域的技術實力。從圖2可以看出，美國申請人提交的專利申請最多，共72 項，占比41%。其次是歐洲，申請專利為29 項，二者占全部專利申請的一半以上，表明歐美國家在人造奶研發領域占主導地位。中國的專利申請數量為16 項，位居第3 位，表明我國在相關領域已有一定研發基礎，但需要進一步加強技術工藝創新。

圖2 人造奶相關全球專利申請人區域分布Fig.2 Geographic distribution of the applicants of patents related to animal-free milk

圖3顯示了人造奶相關全球專利申請的目的地分布。在人造奶相關全球專利申請中，歐洲是主要的申請地區，排名第1位。中國、日本、澳大利亞和美國位居2～5 位，表明這些國家將是未來人造奶產品生產、加工、銷售的主要目的國，需要特別關注其產業化的相關法規和監管政策動向。

圖3 人造奶相關全球專利申請的目的地分布Fig.3 Geographic distribution of patents related to animalfree milk

人造奶生產技術相關專利全球主要申請人排名顯示（圖4），全球排名前10 的專利申請人中，有9個是企業，在這一領域中申請量占比為95.9%，是人造奶領域技術研發的主力軍。排名第一的是美國Perfect Day公司，其申請的34項專利在全球11個國家或地區進行了布局，是人造奶研發行業的技術領跑者。該公司通過酵母細胞表達重組乳蛋白，之后將分離純化得到的重組乳蛋白與其他成分混合制成人造奶。排名第二的是美國文特里亞生物科學公司，其專利申請主要涉及轉基因植物生產人乳蛋白及相關食品和食品添加劑組合物，用于嬰兒配方食品的優化改良。排名第三的是荷蘭帝斯曼知識產權資產管理有限公司，其專利申請主要涉及改變乳制品風味及重組表達生產乳糖酶等，其中乳糖酶制劑可用于食品和飼料產品中乳糖水解，且不產生異味化合物。瑞典斯比克姆股份有限公司排名第四，其專利申請主要涉及動物乳腺生物反應器表達重組酪蛋白，并用于嬰兒配方食品。

圖4 人造奶相關專利申請人排名Fig.4 Ranking of the applicants of patents related to animal-free milk

1.3 我國研發現狀

從1990 年到2020 年的30 年間，全球蛋白質消費量增長96%。根據中國農業展望報告（2021—2030），我國奶制品消費持續增長，2030 年奶制品消費量將達6933 萬噸；同時市場缺口巨大，預計2030 年奶制品進口為 2563 萬噸［23］。為滿足上述消費需求和應對國際蛋白替代市場的激烈競爭，我國在乳蛋白重組表達與人造奶生物合成等技術領域已開始進行研發布局，并取得重要進展。

我國乳蛋白重組表達與人造奶相關專利共有16項，企業與科研院校的申請量占比相當（圖5）?？蒲性盒０ㄖ袊r業科學院生物技術研究所、東北農業大學、浙江工業大學、山東大學、復旦大學、泉州師范學院等，申請量為9項，主要涉及乳鐵蛋白的重組表達，用于飼料的添加，作為養殖用抗生素替代品具有良好前景。企業申請相關專利共7 項，涉及乳鐵蛋白的專利2 項，利用真核表達系統的畢赤酵母菌株生產乳鐵蛋白，并應用于飼料的輔助添加。乳球蛋白相關專利1項，通過家畜乳腺生物反應器生產乳球蛋白，用于抗菌、抗病毒、提高免疫力等功能性開發。其他的專利5 項，涉及相關酶的重組表達，其中中國農業科學院生物技術研究所創建了一種將角蛋白（羽毛）高效轉化為人工血紅蛋白（肌漿蛋白）的生物合成體系（PCT/CN/2020/111685）［24］，中國科學院先進技術研究院研究團隊通過大腸桿菌分別完成7種牛乳蛋白的異源表達［25］。常規異源表達中，靶標蛋白表達量偏低甚至難以表達，已成為蛋白質替代產品研發上的關鍵技術瓶頸。中國農業科學院生物技術研究所發現來自絲氨酸蛋白酶的一段分子伴侶多肽PEP，具有幫助乳蛋白的正確折疊和促進重組蛋白體外高效表達的功能。為提高乳蛋白表達效率，通過基因重組將前肽PEP 與目標蛋白融合，實現了多種難表達乳蛋白的高效合成，且為有活性的可溶蛋白［26］。

圖5 國內人造奶相關專利類型分布Fig.5 Domestic patents for animal-free milk applied by universities/research institutes and companies

中國科技政策對于人造合成食品的研發持積極支持態度。2010—2019 年間，我國國家自然科學基金針對合成生物食品的應用基礎研發方面給予一定的經費投入。根據國家重點研發計劃“合成生物學”和“綠色生物智造”等重點專項2019—2020 年項目申報指南，我國擬投入國撥經費十幾億人民幣，支持合成生物學在食品、醫藥和能源等領域的研究創新。近年來，我國在深圳、天津等地建立國家合成生物學創新中心，并通過國家、地方政府和企業投資，培育具有國際競爭力的合成生物科技初創企業。同時，人造合成食品領域也為我國資本市場提供了巨大商機。我國第1家食品科技風投集團——食芯資本公司專注于投資農業食品科技領域擁有顛覆性技術的初創企業，如中國合成生物科技初創企業摩珈生物、以色列細胞培養肉公司Future Meat Technologies 和英國生物科技公司Tropic Biosciences 等的創新項目。但相比人造肉等未來食品研發，目前我國乳蛋白重組表達與人造奶生物合成技術研發力量相對薄弱，國家層面的科技項目立項和企業層面的風險資金投入不足，相關知識產權保護乏力。因此，為應對日趨激烈的國際競爭，在“十四五”期間應盡快設立國家重點研發項目，加大研發投入，著力突破乳蛋白組合表達關鍵技術瓶頸和人造奶生產新工藝，同時食品安全監管方面應加快制定人造奶等未來食品管理法規和產業化政策。

2 技術研發進展

2.1 乳蛋白重組表達

采用基因工程和細胞工廠等技術手段，高效表達動物奶中的各種蛋白質組分，是人造奶生物合成的核心技術環節。人造奶研發技術相關專利文獻分析發現，重組表達乳鐵蛋白的專利申請量最高，有41 項。組合表達多種乳蛋白位居第二，有36 項；表達乳白蛋白和酪蛋白分別有21 和20項；表達乳球蛋白的最少，僅有2項。其他的申請涉及牛奶中酶蛋白，改變乳制品風味以及干酪、酸奶生產等技術內容。乳蛋白表達類型申請量對比分析表明（圖6），組合表達乳蛋白是獲取人造奶的主要技術。其中，美國基因藥物國際有限公司通過轉基因牛乳腺重組表達多種乳蛋白，生產含有多種重組肽的食物配方（AU1991069608A1）。美國文特里亞生物科學公司通過在轉基因植物種子表達多種人乳蛋白，生產的乳蛋白食品以及食品添加劑組合物來改進嬰兒食品配方（AU2007216827A1）。美國Perfect Day公司利用微生物細胞工廠重組表達乳蛋白，生成具有哺乳動物產生的牛乳類似風味、外觀、營養價值、香氣和類似口感的組合物（US20170273328A1）。其他專利涉及乳鐵蛋白表達，用于飼料中抗生素的添加；或通過轉基因動物家畜乳腺生物反應器表達酪蛋白和乳白蛋白，用于嬰兒食品配方成分。

圖6 重組表達乳蛋白類型專利申請量比對Fig.6 Patents applied for different recombinant milk proteins

2.2 人造奶生物合成

目前，美國Perfect Day 公司和以色列Remilk公司均已開發出人造奶生物合成新工藝。特別是Perfect Day 公司研發技術雄厚，2019 年12 月實現融資2億美元，成為乳制品替代新興行業中產業化發展勢頭最強勁的高科技初創企業。

美國Perfect Day 公司原名“Muufri”，創立于2014 年，總部位于美國伯克利市，是一家基于“細胞農業”概念的生物科技初創公司。該公司利用微生物的發酵作用來制造乳制品蛋白，并首創了人造奶（cow free milk）概念。該公司通過人工合成牛奶乳蛋白DNA 序列，轉化到食品級酵母中表達酪蛋白和乳清蛋白，并與植物性成分混合生產出純素食、無乳糖、無膽固醇的人造奶，可用于制作冰淇淋、奶酪、酸奶和其他一系列乳制品，已取得的重要進展包括：①酪蛋白的組合物及其生產方法（US10595545），其主要發明點在于提供了不包括動物來源組分的組合物，其含有κ-酪蛋白、β-酪蛋白、脂質、風味化合物、甜味劑和灰分［27］；②乳蛋白和非動物蛋白的食物產品及其生產方法（US20190216106A1），提供了椰子油、β-乳球蛋白和豌豆蛋白等混合的人造奶，以及該人造奶發酵制備得到的酸奶［28］；③用于生產包含重組成分和組合物食品的方法（WO2020081789A9），提供了在通過基于電荷來分離重組β-乳球蛋白的方法，從而用于生產具有特殊風味乳制品［29］。目前，這類人造奶乳制品已通過美國食品和藥物管理局的GRAS（Generally Recognized as Safe）審查。同時，該公司與美國阿徹丹尼爾斯米德蘭公司等農業巨頭合作，計劃到2022 年將人造蛋白產量從目前的數十噸增加到數千噸。

Perfect Day公司專利布局隨研發過程同步展開（圖7）。2015年首先在美國、加拿大、澳大利亞和歐洲等國家和地區針對酪蛋白組合物及其制作方法申請了8件發明專利，進行布局。2017年為拓展亞洲和南美洲市場，先后在印度尼西亞、中國、巴西和墨西哥等國家和地區，針對酪蛋白組合物及其制作方法優化改良與非動物源蛋白食品及其生產方法，申請專利14 件。隨著技術逐漸成熟，2019 年，其專利申請內容涉及包括非動物源蛋白食品和生產方法、重組牛奶蛋白聚合物、產生同核的絲狀真菌細胞的方法、用于生產包含重組成分和組合物食品的方法以及酪蛋白組合物和制造方法。2015 年至今，Perfect Day 公司先后申請同族專利34 件，布局11 個發達和發展中國家和地區，力圖通過迅速擴張，搶占未來人造奶產品國際市場。

圖7 Perfect Day公司人造奶相關專利申請及全球布局Fig.7 Perfect Day's patent applications for animal-free milk

下面重點介紹Perfect Day 公司于2015 年獲得的美國發明專利US10595545。該專利涉及人造奶生物合成的關鍵核心技術，包括：①人工合成牛乳蛋白編碼基因的DNA 序列，包括牛αs1-酪蛋白、牛αs2-酪蛋白、牛β-酪蛋白、牛κ-酪蛋白、牛α-乳白蛋白和牛β-乳球蛋白［16，30］；②構建重組質粒，在釀酒酵母和畢赤酵母中分別表達上述6種牛乳蛋白，利用不同蛋白的親疏水性、等電點等理化性質將其分離純化；③通過酯交換將短鏈脂肪酸甘油三酯與高油酸葵花籽油結合，制備乳脂肪酸甘油三酯；④人造奶的配方組分為酪蛋白、乳清蛋白、甘油三酯、糖類、微量元素、維生素等，配方比例為每1 L 人造奶中含26 g酪蛋白、3.5 g乳清蛋白、24 g 半乳糖和5 g 灰分組合；⑤添加多種脂肪和風味化合物，包括向日葵油、椰子油、三丁酸甘油酯、甘油一酯和甘油二酯、游離脂肪酸和磷脂、δ-癸內酯、丁酸乙酯、2-呋喃基甲基酮、2，3-戊二酮、γ-十一內酯和δ-十一內酯等，用以模仿動物源奶類的口感和風味。

3 展望

3.1 乳蛋白組合表達細胞工廠創建

通過對人造奶相關專利文獻的分析發現，早期的專利技術是利用動植物生物反應器來表達乳蛋白及其組合物，這樣可以直接獲得可食用的乳蛋白，但是對于乳蛋白的提取、分離純化較困難，且生產成本較高。利用合成生物學等前沿技術改造天然乳蛋白及其微生物表達底盤，組合表達乳蛋白是當前一個重要技術發展趨勢。目前，實現乳蛋白的生物制造替代，亟待突破的瓶頸問題是創建乳蛋白高效表達與正確組裝的微生物底盤細胞［31］。

酵母菌是應用最廣泛的重組蛋白高效表達平臺，也是合成生物學和現代發酵工業中最常用的真核底盤細胞，在工農業及醫藥等行業均有廣泛應用。目前，工程酵母菌底盤改造已逐漸由基因水平的酶蛋白高表達1.0 版、組學水平的代謝通路調控2.0 版，進入智能化人工設計3.0 版的新階段。通過開發表達系統的模塊、基因元件重構、基因的大規模重組和重排等關鍵技術，突破蛋白高效合成與表達路徑各環節的技術與理論瓶頸，來實現蛋白合成路徑和代謝調控網絡的優化與全新合成、底盤細胞全局性改造，創建低能耗、高產出、易加工、抗逆性強蛋白高效表達體系生產重組牛乳蛋白。中國農業科學院生物技術研究所通過人工設計組裝多基因串聯表達模塊，構建αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白4種酪蛋白的共表達-共純化體系，實現了酪蛋白的高效表達與組合合成，同時正在開展人、山羊、駱駝、青藏高原牦牛等不同物種乳蛋白的資源挖掘與人工優化，篩選獲得優質的乳蛋白組合。2020 年Nature Communications雜志發表了題為“Synthetic biology 2020—2030： six commercially-available products that are changing our world”的文章，列舉了6個在2000—2020 年間已商業化面向市場并正在改變世界的6個生物合成產品，其中包括利用重組畢赤酵表達大豆血紅蛋白，作為未來人造食品配料并改善其口感和風味［32］。

絲狀真菌是一類更適合于生產重組哺乳動物蛋白的底盤微生物。相比酵母菌，絲狀真菌具有更強的工業化生產重組蛋白表達能力，同時其產生的含哺乳動物信號序列的重組蛋白在分泌特性及其糖基化等翻譯后修飾方面與哺乳動物細胞合成的蛋白更相似［33］。我國在絲狀真菌蛋白分泌表達系統及其遺傳操作系統方面開展了系統研究，如中國科學院天津工業生物技術研究所通過改造獲得絲狀真菌如黑曲霉和米曲霉等高效蛋白表達宿主，挖掘表達元件如強啟動子、信號肽、終止子、錨定蛋白以及蛋白分泌調控相關轉錄因子，構建了具有自主知識產權的絲狀真菌蛋白分泌表達系統及重組外源蛋白工業化規模高效表達的核心平臺，獲得核心技術專利如一種調控sgRNA 轉錄的啟動子、表達載體及其基因組編輯系統和應用（CN110331146B）和一種改善絲狀真菌蛋白分泌能力的方法（CN106119137B）等。此外，華南理工大學申報發明專利“絲狀真菌蛋白分泌壓力反饋調控元件與抗反饋抑制的啟動子、質粒及制備方法和轉化細胞”（CN103275981A）和“一種提取絲狀真菌基因組DNA 的方法及試劑盒和遺傳轉化子的快速篩選方法”（CN103361339A）也獲得授權。2020 年，Perfect Day 公司優化了絲狀真菌大量培養與篩選的實用方案，將應用于未來高效的絲狀真菌底盤細胞工廠的創建中（WO202006 1503A1）。

3.2 新一代人造奶生物智造

2014 年，美國Perfect Day 公司提出人造牛奶概念，設計改造酵母細胞工業化分別發酵牛乳蛋白（乳清蛋白和酪蛋白）以及相應營養成分，模仿動物源奶類的成分、功能、質地和風味，經過精細化加工，實現人造乳制品的精準營養和綠色制造。經過生產工藝優化，該公司的人造牛奶蛋白初創產品含6種牛奶蛋白、8種脂肪酸、礦物質、維生素和糖類，具有與牛奶相似的營養成分和風味，同時還突破產業化的成本障礙，其生產成本較普通牛奶蛋白低40%左右。2019 年，該公司以每品脫（1品脫≈473毫升）20美元的價格限量銷售1000 品脫含香草鹽軟糖、牛奶巧克力、香草黑莓太妃糖3種口味的人造奶冰淇淋，其售價與目前國內市場同規格哈根達斯冰淇淋的價格相當。與傳統的牛奶生產方式相比，人造奶的生物合成工藝還具備顯著的環保優勢，將減少98%的用水量，91%的土地需求，84%溫室氣體排放，并節約65%的能源［8］，將顛覆傳統養殖模式，有助于世界農業碳達峰和碳中和目標實現。

與天然動物奶比較，人造奶制品還有一個顯著優勢就是不含乳糖、膽固醇和致敏原等不良因子。牛奶及其乳制品是FAO和WHO認定的導致人類食物過敏的八大類食品之一，牛乳蛋白過敏是嬰幼兒最普遍的一類食物過敏［4，34］，因此，美國及歐盟新食品標簽法規定牛奶必須標示的致敏原成分。目前，牛奶中已知的主要致敏原包括αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-蛋酪蛋白、κ-蛋酪蛋白、β-蛋乳球蛋白和α-球乳白蛋白等。通過致敏原數據庫比對分析，可以針對不同來源的乳蛋白序列進行人工設計，提高其生物活性同時刪除其致敏原，可望獲得更加營養和健康的人造奶制品［35-36］。

但是，從口感、風味和營養而言，目前人造奶產品還無法與動物天然乳制品抗衡。在天然牛奶中，蛋白質的含量僅為3%左右，主要由酪蛋白和乳清蛋白兩大部分組成，但其風味和活性成分非常復雜。牛奶特有的風味物質包括游離脂肪酸、醇、酯、內酯、醛、酮、酚、醚、含硫化合物及萜類等多種有機物，主要是由牛奶中蛋白質、脂肪、乳糖三大類物質降解或各類衍生物之間反應生成。其中，脂肪作為一種重要食物成分對未來人造乳制品的風味、口感和營養品質等改良至關重要［30］。此外，天然牛奶還含有各種生物活性物質，現已檢測到50 多種，包括免疫球蛋白、乳過氧化物酶、溶菌酶、酪蛋白源和乳清蛋白源的生物活性肽、不飽和脂肪酸、激素（如褪黑素）及細胞因子（如白細胞介素）等，其來源包括從血液轉入奶中，或經蛋白質水解作用形成以及乳腺本身合成等，具有多種生理功能和免疫保護作用［37］。因此，利用合成生物學技術改造微生物底盤，組合合成多種脂肪類風味物質以及多肽類生物活性物質，實現新一代人造奶的生物智造（圖8），應用前景更加廣闊［38-39］。

圖8 乳蛋白組合表達細胞工廠創建與人造奶生物合成的技術流程Fig.8 Process diagram for the combinatorial expression of milk proteins to produce synthetic milk

3.3 生物安全與生物倫理思考

由于合成生物學具有顛覆性、交叉性和不確定性等技術特征，其相關產品如人造食品的商業化在生物安全和生物倫理方面存在較大爭議。如何運用法律來平衡此類人造食品商業化帶來的風險與收益，是當前國際社會普遍關注的問題。2018 年召開的聯合國生物多樣性會議暨《生物多樣性公約》第十四次締約方大會提出，需要注重合成生物學領域的風險評估模式、國際合作和法律考量，以應對合成生物產品商業化可能帶來的安全風險。

合成生物學及其產品的安全風險評價涉及以下內容：①新遺傳信息意外暴露于人類和環境；②新遺傳物質在批準使用范圍以外的環境中擴散；③在人工遺傳物質可能改變或影響人類、動物或環境的遺傳信息的情況下，發生水平基因轉移的可能性；④食品營養品質改變、產生潛在過敏原和未知成分。此外，具有顛覆性特征的合成生物技術能設計全新的人工元器件，創制全新的人工基因線路（如高效固氮基因回路、表觀遺傳回路等）、人工生物細胞（如最小基因組、細胞工廠等）、人工生物裝置（如人造葉片，生物納米機器等）、非天然化合物（如非天然氨基酸、非天然藥物等）以及人造食品（如人造肉、人造奶等），在食用安全或環境安全方面可能產生新的潛在風險。目前，世界各國在針對合成生物食品商業化問題上并未建立專門且具體的法律規范和管理措施，但普遍采用現有的法律框架進行生物安全評價和監管（表1）［40-42］。美國《聯邦法典》中關于食品與藥品的規定（Code of Federal Regulations，Title 21 Food and Drug）要求新型生物產品的研發和投入市場需要向生物產品評價與研究中心（Center for Biologics Evaluation and Research）進行申報，以保證生物產品的安全性和有效性。歐盟科學委員會在其發布的《適用于合成生物學的評價方法是否存在風險》（Synthetic Biology ⅡRisk Assessment Methodologies and Safety Aspects）草案意見書中明確表示，目前用于生物和遺傳修飾物質的已有法規可以應用于合成生物產品。2020年，歐洲食品安全局發布關于現有指南對合成微生物進行微生物表征和環境風險評估適用性的評估報告，明確指出現有的歐洲食品安全局指南可作為對當前和未來十年內合成微生物特性描述和環境風險評估的基礎，待評估產品的用途范圍應涵蓋所有農業食品用途，并考慮到所有類型的微生物及其相關接觸途徑和環境［43］。以人造肉產品為例，美國農業部和食品藥物管理局等在現有法規框架下，正著手制定相關的安全標準和監管框架。人造肉產品能否可以貼上“肉”的標簽已引發爭議，密西西比等13 個州出臺了植物蛋白肉、培養肉等不能再用“肉”字宣傳的立法提案。目前，我國人造肉和人造奶等合成食品研究還處于實驗室階段，尚未有商業化產品進入市場。對于這一新型科技食品，我國還沒有制定專門的立法來規范其入市前審批和入市后監管事項，因此需要加快其立法研究，確保我國合成生物學及其相關產品產業化在法定框架下健康發展［41，44］。

表1 美國、歐盟和新加坡合成生物技術監管相關法規［40］Tab.1 Synthetic biology regulation and governance in United States,European Union and Singapore

任何一項新興生物科技的興起與應用均存在生物安全風險和生命倫理爭議，也伴生了一系列新興生物科技倫理學的出現，如gen-ethics（遺傳倫理學或基因倫理學）、synbio-ethics（合成生物倫理學）、nano-ethics（納米技術倫理學）以及ⅠT-ethics（信息技術倫理學）等。合成生物學在21世紀初興起并迅猛發展，其研究目標是創造或設計非天然的全新生命形式，由此引發了對生命概念及生命尊嚴的挑戰和倫理爭議［45-46］。合成生物食品的商業化也存在倫理風險，譬如合成生物食品的法律定義以及對自然環境和人類社會的倫理影響［47-48］。

2005 年，聯合國教科文組織發布《世界生物倫理和人權宣言》，重申設立倫理委員會以評估涉及生物的研究是否違背倫理的必要性，強調生物科學研究必須符合倫理道德的基本準則。2017 年，美國農業部和食品藥品監督管理局正式就細胞培育肉類產品的商業化制定了規則框架，為人造食品行業的健康發展提供法律指導。歐盟各國對于合成生物食品的商業化發展普遍持謹慎態度，其新食品法規明確規定，由細胞培養物或源自動物的組織培養物產生的食物都將被視作一種新型食品，因此需要建立與之相適應的法律監管體系和生物倫理規范。我國已審議通過的《生物安全法》規定，包括基因編輯、合成生物等前沿生物技術相關的研究、開發與應用活動必須在符合倫理原則的框架下進行。

進入新世紀以來，合成生物學、生物信息學、仿生學以及人工智能等新興科學迅猛發展，正推動農業生產方式從傳統的馴化蓄養農業、工業化農業向細胞農業轉變［49-51］。細胞農業是以基因工程和細胞工程為技術核心，將革命性改變農產品生產與供應鏈，為不斷增長的人口提供可持續和更健康的食品［52-54］，為世界農業碳達峰和碳中和目標實現提供不可替代的科技支撐。此外，細胞農業可以根據要求對產品進行個性化的設計和調整，這將是綠色安全高品質食品的未來發展趨勢［38，55-56］。毫無疑問，人造奶的營養與風味與天然牛奶相當，但不含乳糖、膽固醇、抗生素和致敏原等不良因子，其生產過程無需養殖動物，可以有效節約資源與能源，是一種顛覆傳統養殖業的未來乳制品生產新模式，將引領未來食品產業和細胞農業發展方向［57］。