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为解决培养肉培养基中 GFs 和 SPs 成本高昂的问题，新加坡科技研究局等机构的研究人员开展利用大肠杆菌生产重组 GFs 和 SPs 的研究。结果显示多种策略可降本，该研究为培养肉大规模生产提供可能，推荐科研读者阅读。
微生物细胞工厂助力人造肉生产：重组生长因子和血清蛋白的降本之路
在科技飞速发展的今天，人造肉逐渐走进人们的视野。人造肉，准确来说是 “培养肉（cultivated meat）”，也叫实验室培育肉或细胞培养肉，它可不是从养殖场的动物身上直接获取的，而是在实验室的生物反应器里，通过培养动物细胞生长而成。这一创新技术可不简单，它有着巨大的潜力，不仅能减少传统肉类生产对自然资源的消耗，还能大幅降低温室气体排放。想象一下，未来的肉类生产不再需要大片的牧场和大量的水资源，这对环境保护有着多么重大的意义！
然而，培养肉的发展并非一帆风顺。目前，培养肉的生产成本高得惊人，让它很难与传统肉类在市场上竞争。造成成本高昂的主要原因之一，就是细胞培养过程中使用的培养基。其中，商业生长因子（Growth Factors，GFs）和血清蛋白（Serum Proteins，SPs）的成本占据了培养基成本的很大一部分。就好比搭建一座昂贵的城堡，这些生长因子和血清蛋白就是城堡中那些价格不菲的砖石。
现在常用的胎牛血清（Fetal Bovine Serum，FBS），虽然能为细胞生长提供所需的营养，但它就像一个昂贵又麻烦的 “房客”。一方面，FBS 价格昂贵，而且每一批的质量参差不齐，这可让细胞培养时的重复性大打折扣，就像每次做饭用的食材质量都不一样，做出来的菜味道也忽好忽坏。另一方面，使用 FBS 违背了培养肉原本的伦理优势，毕竟获取 FBS 需要从胎牛身上抽血，这和传统养殖屠宰动物获取肉类在伦理上并没有太大区别。所以，寻找更经济实惠的生长因子和血清蛋白生产方法，成为了推动培养肉发展的关键。
为了解决这些问题，新加坡科技研究局（Agency for Science, Technology and Research，A*STAR）生物加工技术研究所等机构的研究人员，在《Microbial Cell Factories》期刊上发表了一篇名为 “Enhancing recombinant growth factor and serum protein production for cultivated meat manufacturing” 的论文。他们发现，利用微生物细胞工厂，特别是大肠杆菌（Escherichia coli）来生产重组生长因子和血清蛋白，是降低培养基成本的有效途径。这一发现就像在黑暗中找到了一盏明灯，为培养肉的大规模生产带来了希望。
在这项研究中，研究人员主要运用了基因工程技术、生物信息学分析以及生物工艺优化技术。基因工程技术就像是一把神奇的 “剪刀” 和 “胶水”，可以对大肠杆菌的基因进行精确地剪切和粘贴，让它按照研究人员的意愿生产目标蛋白；生物信息学分析则像是一个智能的 “数据库大脑”，帮助研究人员分析蛋白质的结构和功能，从而找到优化蛋白质性能的方法；生物工艺优化技术就像一个精细的 “工匠”，对整个生产过程进行优化，提高生产效率和产量。
一、融合标签助力 GF 表达提升
在大肠杆菌中生产重组蛋白，常常会遇到溶解度低和折叠错误的问题，就像搭积木时，积木总是搭不牢固，东倒西歪。融合标签的出现，就像是给这些 “调皮” 的积木加上了特殊的连接部件。比如麦芽糖结合蛋白（Maltose-binding protein，MBP）、谷胱甘肽 S - 转移酶（Glutathione S-transferase，GST）等标签，可以帮助蛋白质正确折叠，提高其溶解度，让蛋白质生产更加顺利。研究发现，将 DsbA（Disulfide bond oxidoreductase A）与哺乳动物 IGF1（Insulin-like Growth Factor 1）融合，能使可溶性蛋白浓度提高 9 倍；利用 Fh8（Fasciola hepatica 8-kDa antigen）作为融合伙伴，可在工业规模上提高多种生长因子的产量。这就好比给蛋白质穿上了合适的 “防护服”，让它们在生产过程中能够保持良好的状态。
不过，融合标签也不是完美无缺的。在蛋白质生产完成后，通常需要把融合标签去除，因为有些标签可能会影响蛋白质的结构和功能。去除标签的过程就像是给蛋白质 “脱衣服”，需要额外的步骤和成本。但研究人员发现，有些融合标签可以不用去除，它们不仅不会影响生长因子的生物活性，还能提高目标蛋白在无血清培养基中的稳定性，这可真是意外之喜！
二、先进标签助力成本效益型纯化
蛋白质的纯化过程是整个生产过程中的一个 “烧钱大户”，就像一场昂贵的 “大扫除”。为了降低纯化成本，研究人员探索了各种先进的标签技术。
弹性蛋白样多肽（Elastin-Like Polypeptides，ELP）是一种研究较多的聚集标签，它就像一个有 “温度开关” 的小机器人。在温度高于其转变温度时，它会促使蛋白质聚集，温度降低时又会溶解，通过调节温度就能实现蛋白质的纯化。但是，ELP 的长度较长，可能会给细胞带来负担，就像给小个子的人穿了一件超大号的衣服，行动起来不太方便。
于是，研究人员又找到了一些更小的标签，比如 β - Roll Tag（BRT17）、ELK16、HlyA60 和 CspB（Cell surface protein B）等。这些小标签就像小巧灵活的 “小精灵”，它们能在保证蛋白质纯化效果的同时，减少对细胞的影响。此外，利用成本效益型柱子进行蛋白质分离也是一种有效的方法，例如 EctP1 可以与未修饰的二氧化硅和钛非共价结合，Spy - Tag 和 Spy - Catcher 系统、纤维素结合域（Cellulose Binding Domain，CBD）等也为蛋白质纯化提供了新的途径，让纯化过程更加经济高效。
三、提升 GF 和 SP 稳定性
蛋白质的稳定性对于培养肉培养基来说至关重要，就像一座房子需要坚固的地基一样。为了增强重组生长因子和血清蛋白的稳定性，研究人员尝试了多种方法。
传统方法中，通过对蛋白质进行系统发育分析，与嗜热菌的同源蛋白质进行比较，可以设计出更稳定的蛋白质支架。比如，在蛋白质中引入二硫键、盐桥，或者对蛋白质进行环化、二聚化和聚乙二醇化（PEGylation）等修饰，都能提高蛋白质的稳定性。就像给房子加固，让它能经受住各种 “风吹雨打”。
随着科技的发展，计算机辅助设计和机器学习等新兴方法也被应用到蛋白质稳定性的研究中。利用 Rosetta、FRESCO、PROSS 等软件，可以预测蛋白质结构和稳定突变。AlphaFold、MUTCOMPUTE、TemStaPro、ProteinMPNN 等机器学习模型的出现，更是为蛋白质稳定性的研究带来了新的突破。这些模型就像拥有超能力的 “预言家”，能够预测蛋白质的结构和功能，帮助研究人员找到提高蛋白质稳定性的方法。研究人员通过这些方法对成纤维细胞生长因子（Fibroblast Growth Factor，FGF）进行优化，成功延长了其半衰期，提高了热稳定性。
四、优化大肠杆菌底盘
大肠杆菌作为生产重组蛋白的 “主力军”，对它进行优化就像升级一辆赛车，能让它跑得更快、更稳。
在大肠杆菌中进行糖基化修饰是一个重要的研究方向。转铁蛋白（Transferrin）是无血清培养基的成分之一，它是一种糖蛋白，需要进行翻译后修饰。但是大肠杆菌本身很少进行糖基化，研究人员通过基因工程技术，将特定的糖基转移酶基因导入大肠杆菌，使其能够生产糖蛋白，就像给大肠杆菌安装了一个特殊的 “加工机器”，让它能够生产出更符合要求的蛋白质。
减少大肠杆菌中乙酸盐的积累也非常关键。乙酸盐积累过多会抑制细胞生长和代谢，就像汽车里的垃圾太多会影响汽车的行驶。研究人员通过敲除相关基因，构建出乙酸盐产生较少的菌株，或者通过工程改造降低大肠杆菌对葡萄糖的摄取，让细胞生长更加健康，提高蛋白质的产量。
此外，优化大肠杆菌菌株以增强蛋白质表达、提高蛋白质分泌能力，以及使其能够适应工业生物反应器中的环境波动，都是研究人员努力的方向。经过一系列的优化，大肠杆菌这个 “生产小能手” 变得越来越强大。
五、细胞工程策略提升重组 GF 和 SP 生产
在细胞工程方面，研究人员也有很多巧妙的策略。
开发营养缺陷型大肠杆菌菌株，让它们能够在不使用抗生素的情况下维持质粒，这就像给细胞找到了一种更环保、更经济的 “生存方式”。利用自裂解菌株，在发酵后自动裂解细胞释放蛋白质，节省了额外的细胞裂解成本，就像细胞自己打开了 “大门”，把里面的蛋白质放了出来。
寻找替代昂贵诱导剂的方法也是一个重要突破。比如利用乳糖等天然糖类进行自动诱导，或者采用热诱导、群体感应、光诱导、铜诱导和氧气诱导等方式，这些方法就像给细胞生产过程找到了更便宜、更高效的 “启动开关”。
为了减轻大肠杆菌在生产过程中的代谢负担，研究人员设计了能够感知代谢负担并自动调整蛋白质翻译的合成电路，就像给细胞安装了一个智能 “调节器”，让细胞在生产蛋白质的同时，不会因为负担过重而 “生病”。此外，将细胞生长和蛋白质生产解耦，让细胞能够更专注地进行生产，进一步提高了蛋白质的产量。
六、生物工艺创新降低成本
在生物工艺方面，研究人员也进行了一系列创新，就像给生产流程进行了一次全面的 “升级改造”。
小型生物反应器和蛋白质检测方法的应用，让实验更加高效。BioLector 等微型反应器能够模拟大型生物反应器的环境，进行高通量实验，就像在一个小小的 “实验工厂” 里进行大规模的生产测试。同时，新的蛋白质定量技术，如微流体芯片电泳系统、质谱光度法和基于适体的生物传感器等，能够更准确、更快速地检测蛋白质含量，为生物工艺优化提供了有力的支持。
优化补料分批工艺和实现生物工艺自动化，能够提高生产效率和产品质量。通过基于模型的进料方法和过程分析技术（Process Analytical Technology，PAT），可以更好地控制发酵过程，避免营养物质的浪费和乙酸盐的积累，就像给发酵过程安装了一个精准的 “导航仪”。先进的平行微型生物反应器系统和自动化工作流程的应用，让生物工艺更加智能化、高效化。
统计实验设计（Design of Experiments，DoE）和混合建模等方法的改进，能够减少实验次数，提高优化效率。强化实验设计（intensified Design of Experiments，iDoE）和混合建模相结合，就像给实验设计了一条 “捷径”，能够更快地找到最佳的生产条件。
连续生物工艺操作对于大规模生产非常重要，它能确保生产过程的连续性，提高生产效率。虽然在大肠杆菌中实施连续操作存在一些挑战，但研究人员通过级联方法，将细胞生长和生产分离在两个生物反应器中进行，成功提高了蛋白质的产量和效价，就像给生产过程增加了一条高效的 “生产线”。
通过精心设计的缩小实验和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型，可以更好地理解大规模生物反应器中的环境异质性，为放大生产提供指导，就像给大规模生产绘制了一张精确的 “地图”。
此外，利用废弃的培养肉培养基生产重组生长因子和血清蛋白，不仅实现了资源的循环利用，还降低了生产成本，让整个生产过程更加环保、经济，就像给废弃的资源找到了新的 “归宿”。
研究人员通过一系列实验和分析，发现利用大肠杆菌生产重组生长因子和血清蛋白具有巨大的潜力。通过融合标签、优化纯化方法、提升蛋白质稳定性、优化大肠杆菌底盘、创新细胞工程策略和生物工艺等多方面的努力，可以显著降低生产成本，为培养肉的大规模生产提供了可行的解决方案。
这项研究意义重大，它为降低培养肉的生产成本提供了关键的技术支持，有望推动培养肉产业的发展，让培养肉变得更加经济实惠，走进千家万户。同时，研究中涉及的各种技术和策略，也为其他生物工程领域的研究提供了宝贵的经验和借鉴，就像在生物工程的道路上点亮了一盏明灯，为后续的研究指引了方向。不过，目前这些技术在实际应用中还面临一些挑战，比如某些策略的集成使用还比较困难，需要进一步的研究和创新。但随着科技的不断进步，相信在未来，这些问题都将得到解决，培养肉产业也将迎来更加美好的明天！
