《Current Opinion in Biotechnology》：Safe and resource-aware microbial design for food production
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Juyoung Oh | José I Jiménez | Juhyun Kim
生命科学学院，BK21 FOUR KNU 创新生物研究小组，庆北国立大学，大邱 41566，韩国
精准发酵通过实现营养素和功能性成分的可编程生物合成，正在重新定义微生物食品制造。尽管取得了这些进
Juyoung Oh | José I Jiménez | Juhyun Kim
生命科学学院，BK21 FOUR KNU 创新生物研究小组，庆北国立大学，大邱 41566，韩国
精准发酵通过实现营养素和功能性成分的可编程生物合成，正在重新定义微生物食品制造。尽管取得了这些进展，但工业规模的应用仍受到代谢负担、生长与生产之间的权衡、生物安全问题以及下游处理成本的限制。传统的细胞内系统本质上会产生宿主来源的杂质和内毒素，这给食品级标准带来了挑战。在这里，我们回顾了将生物合成与细胞限制分离并简化工艺设计的平台级进展，重点关注符合食品行业要求的方法。我们强调了无细胞系统和非复制型微细胞作为内在封闭的生产平台，详细介绍了用于高效细胞外产物回收的分泌和排出工程方面的进展，并讨论了为解决资源分配限制而设计的微生物联合体。这些创新结合了生物安全性和工艺效率，为下一代微生物食品系统提供了一个从设计上就安全的框架，以满足监管和工业需求。
引言
微生物食品制造利用细菌、真菌和酵母通过发酵将可再生底物转化为高价值的食品。为了应对全球食品需求的增长和日益增加的可持续性压力，该领域已经从传统发酵发展到精准发酵——这是一种工程化方法，能够控制营养素、食品成分和功能性生物分子的生物合成，同时减少环境影响并提高资源循环利用效率1, 2。代谢工程、合成生物学和基因组编辑的进步使精准发酵从通过随机突变进行经验性菌株改进转变为针对工业规模生产的理性宿主优化3, 4。这些发展使微生物成为可编程的细胞工厂，用于食品和营养素的生物合成。
尽管取得了这些进展，微生物食品制造的工业应用仍面临重大的技术和工艺障碍。有毒中间体、复杂的宿主调控以及代谢通量向竞争途径的转移限制了产量、稳定性和可扩展性2, 5。除了代谢瓶颈之外，食品制造还受到生物安全要求的限制，需要在成本敏感的条件下实现产品纯度。与制药生物制造不同，后者可以通过严格的纯化来降低生物风险，而食品生产依赖于与简化、低成本下游处理兼容的固有安全平台。传统的整个细胞生产系统通常含有活的或经过基因改造的微生物、宿主DNA、内毒素和代谢副产物[6]。基于裂解的产品回收会释放蛋白酶、宿主蛋白质和核酸，使纯化复杂化并增加产品损失。在细菌宿主体内，脂多糖的污染进一步加剧了安全问题7, 8。总体而言，这些因素突显了一个核心限制：传统系统中的生物合成仍然与活的生产细胞的生物复杂性紧密相关。克服这些限制需要平台级策略，将生物合成与生物安全风险分离并促进产品回收。
章节摘录
将生物合成与细胞分离：用于食品级生产的无细胞平台
无细胞系统（CFS）是一种独特的生物制造平台，利用添加了定义明确的底物、辅因子和能源的细胞提取物来实现体外转录-翻译和代谢反应[9]。通过消除活的、经过基因改造的细胞，CFS将生物合成活性与细胞生长分离，从而从根本上降低了使用活的基因改造生产菌株相关的风险10, 11。与需要整个细胞的系统不同，CFS……
非复制型细菌底盘：用于安全、食品级合成和递送的微细胞
微细胞是由异常细菌细胞分裂产生的无染色体细胞结构25, 26。在如E. coli这样的细菌中，Min系统在细胞中部空间调节FtsZ环的组装，确保细胞分裂。Min系统的破坏会导致极附近的错误分裂，从而产生无染色体的微细胞[27]。微细胞保留了其亲本细胞的细胞机制，除了染色体DNA 26, 28•。与CFS类似，微细胞提供了内在的生物封闭性……
优化分泌系统以简化产品处理
微生物食品和营养素生物制造的一个关键限制是下游处理，其中细胞破坏、杂质去除和纯化显著增加了生产成本和工艺复杂性[6]。利用天然分泌途径提供了一种补充策略，可以直接将目标产物释放到细胞外介质中。细菌通过多种不同的分泌系统自然地输出分子，这些系统在运输机制和底物特异性方面各不相同[38]。
微生物联合体中的分工以减轻代谢负担
高产量的食品成分和营养素的生产通常需要表达复杂的、资源密集型的生物合成途径。这些途径对ATP、前体代谢物、辅因子和翻译机制有很高的需求，经常导致代谢失衡、生长与生产之间的权衡以及细胞内压力55, 56。在单一菌株内增加途径的表达并不一定能提高整体产量，因为细胞资源（包括核糖体）……
结论
从传统发酵到精准发酵的演变使微生物成为生产营养素和功能性食品成分的可编程平台。尽管取得了这些进展，但在食品制造中的大规模应用仍受到内在的细胞限制、生物安全挑战以及下游处理的经济负担的限制。将生产与细胞负担分离的平台级创新对于推进安全和……
CRediT作者贡献声明
Juyoung Oh：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑。Jose I Jiménez：概念构思、撰写、审稿与编辑。Juhyun Kim：概念构思、监督、撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由科学和ICT部资助（RS-2024-00439872），以及通过韩国健康产业发展研究所（KHIDI）的韩国健康技术研发项目的支持，该项目由韩国卫生福利部资助（RS-2023-00304637）。JJ感谢生物技术和生物科学研究委员会（BBSRC）通过资助<-->BB/Y513465/1提供的支持。
