从空气到餐桌：氢氧化细菌气体精密发酵技术开辟可持续食品生产新路径

为解决传统农业导致的温室气体排放和资源消耗问题，研究人员开展了一项关于氢氧化细菌(HOBs)气体精密发酵技术的研究。该研究通过工程化改造HOBs，利用CO2和绿色氢气(H2)生产高价值食品成分如乳蛋白，实现了与农业脱钩的可持续食品生产体系。研究证实该技术具有碳负排放潜力，为应对人口增长和行星边界危机提供了创新解决方案。

　　

随着全球人口预计在2080年突破103亿，人类活动已突破六项行星边界（planetary boundaries），其中食品生产系统贡献了37%的温室气体排放。传统农业不仅占用大量耕地和淡水资源，其环境足迹更威胁着地球生态系统的稳定性。在这种背景下，科学家将目光投向了微生物发酵技术——特别是能够直接利用大气成分的氢氧化细菌（hydrogen-oxidising bacteria, HOBs），试图构建一条完全脱离农业的食品生产新路径。

这项发表在《TRENDS IN Biotechnology》的研究由Margarita Bernal-Cabas等跨国团队完成，他们提出"气体精密发酵"（gas precision fermentation）的创新概念。与依赖糖类原料的传统发酵不同，HOBs能以CO₂为碳源、H₂为能源，通过卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）合成生物质。芬兰企业Solar Foods已实现该技术产业化，其20,000升规模生产的Solein?单细胞蛋白（single-cell protein, SCP）获得多国食品安全认证。但研究人员认为，要构建完整的替代食品供应链，必须突破SCP的局限，生产高附加值的功能性食品成分。

研究团队选择乳蛋白作为突破口，系统论证了工程化HOBs的可行性。通过整合基因组尺度代谢模型（genome-scale metabolic models）、蛋白质分配约束分析和泛基因组（pangenome）工具，优化了HOBs的资源分配效率；采用Sec/Tat分泌系统与膜泄漏策略，在革兰阴性菌中实现了真核蛋白的跨膜转运；开发了基于微孔板和水包油微滴的高通量筛选平台，克服了气体发酵条件下表型筛选的难题。这些技术创新为建立"空气到餐桌"的全新食品生产范式提供了关键技术支撑。

工程氢氧化细菌实现分泌型乳蛋白的气体精密发酵

研究以β-乳球蛋白（β-lactoglobulin, BLG）为模式蛋白，该蛋白含有2个二硫键，是乳清蛋白中结构相对简单的组分。通过异源表达实验证实，Cupriavidus necator等HOBs可分泌236 mg/L的α-淀粉酶，证明其具备真核蛋白分泌潜力。计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟显示，采用外循环气升式反应器（external-loop gas-lift reactors）可优化H₂/O₂混合气体的传质效率，将工业规模生产的爆炸风险降至最低。

实现气体精密发酵所需的研究与创新

团队识别出三大关键技术瓶颈：HOBs的氧化应激响应机制不明确，导致重组蛋白表达受限；缺乏适用于Xanthobacter等非模式菌的CRISPR基因编辑工具；气体发酵的小规模原型测试系统稀缺。通过适应性实验室进化（adaptive laboratory evolution, ALE），研究人员成功将C. autoethanogenum的自养生长速率提升40%，为HOBs的代谢改造提供了参考范例。

气体精密发酵食品蛋白的替代路径

除直接改造HOBs外，研究还探讨了"两步法"策略：先用HOBs生产SCP作为原料，再通过常规发酵菌株生产目标蛋白。这种整合方案既规避了HOBs生长缓慢的缺点，又保留了3G原料（third-generation feedstocks）的可持续优势。

这项研究的重要意义在于首次系统论证了气体精密发酵技术路线的可行性。与1G/2G原料相比，3G气体发酵可减少90%的土地使用量和80%的淡水消耗。当配合可再生能源电解水制氢时，该技术甚至可实现碳负排放。随着合成生物学工具日趋成熟，未来有望实现从CO₂、N₂和O₂到复杂食品成分的全程"空气转化"，为应对行星边界危机提供突破性解决方案。不过研究者也指出，要实现商业化还需解决监管审批、消费者接受度和绿氢供应链等非技术性挑战。