环境及气候
伯克利科学家用基因编辑技术改造真菌，做成口感逼真的“真菌肉饼”
科学家利用基因编辑技术改造真菌，使其富含铁、抗氧化物等营养，色泽诱人，口感可塑，有望成为新一代美味的素肉替代品。
随着植物奶和仿真肉制品的面世，生物技术正深刻影响着食品行业。基因工程的进步使我们能够利用微生物生产对消费者和环境都更健康的无杀生食品。
真菌王国拥有着种类繁多的真菌，它们能天然产生各种美味营养的蛋白质、脂肪、抗氧化剂和调味分子，是极具潜力的创新型食品来源。厨师出身的生物工程师 Vayu Hill-Maini 目前在劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室) 任职，他正探索通过改造真菌现有基因来创造出各种新奇的口味和口感。
“我认为合成生物学的一个重要基础就是利用已经进化到擅长某些功能的生物体。” Hill-Maini 说，他目前是加州大学伯克利分校杰·凯斯林 (Jay Keasling) 生物工程实验室的一名博士后研究员。 “我们想要做的是研究真菌的产物，并设法解锁和增强它们的功能。我认为这是一个重要的方向，我们不需要引入来自截然不同的物种的基因。我们正在研究如何将现有基因进行整合，并发挥其潜力。”
Hill-Maini 和加州大学伯克利分校、联合生物能源研究所和诺和诺德基金会生物可持续发展中心的同事们最近在《自然通讯》杂志上发表了一篇论文。他们研究了一种名为米曲霉菌的多细胞真菌，这种真菌在东亚已被用于发酵淀粉制成清酒、酱油和味噌数百年。首先，研究小组利用 CRISPR-Cas9 技术开发了一种基因编辑系统，可以对米曲霉菌的基因组进行持续可控的改造。建立了编辑工具包后，他们应用该系统对真菌进行了一些有利于其作为食物来源的改良。首先，Hill-Maini 着手提高真菌的血红素产量。血红素是一种含铁分子，存在于许多生命体中，在动物组织中含量最为丰富，是肉类呈现红色和独特风味的原因。(一种合成生产的植物血红素也是赋予“不可能汉堡”以逼真肉质的关键。)接下来，研究小组增强了麦角硫因的产量，这是一种仅存在于真菌中且与心血管健康相关的抗氧化剂。
经过改造后，原本白色的真菌变成了红色。经过简单处理(去除多余水分并研磨)后，收获的真菌可以塑形成肉饼，然后煎成看起来很诱人的汉堡。
Hill-Maini 的下一个目标是通过调节控制真菌质地的基因来让真菌更具吸引力。“我们认为可以通过改变细胞的纤维状形态来探索更多的质地。因此，我们或许能够通过编程使真菌的纤维更长，从而带来更接近肉的体验。然后我们可以考虑提高脂质含量来改善口感和营养，” Hill-Maini 说，他在研究期间还是加州大学伯克利分校米勒基础科学研究所的研究员。 “我非常兴奋地探索如何进一步研究真菌，并修补它们的结构和新陈代谢以用于食品。”
这项工作仅仅是利用真菌基因组创造新型食品的开端，但却展示了真菌作为易于生长的蛋白质来源的巨大潜力。与现有复杂配料表的人造肉替代品以及成本高昂且技术难度大的细胞培养肉相比，真菌的优势显而易见。此外，该团队的基因编辑工具包也为整个合成生物学领域带来了巨大飞跃。目前，许多生物制造产品都由经过改造的细菌和酵母菌(蘑菇和霉菌的单细胞近亲)制成。尽管人类食用真菌或用其制作味噌等主食的历史由来已久，但由于多细胞真菌的基因组远比单细胞菌类复杂，并且具有适应性，使得基因编辑更具挑战性，因此它们尚未像工程细胞工厂那样被大规模利用。这篇论文中开发的 CRISPR-Cas9 工具包为轻松编辑米曲霉菌及其许多近亲奠定了基础。
“这些生物体已被用于生产食品数百年，它们将碳转化为各种复杂分子的效率令人难以置信，其中许多分子使用经典宿主如酿酒酵母或大肠杆菌几乎不可能生产。” 该论文的资深作者、伯克利实验室高级科学家和加州大学伯克利分校教授杰·凯斯林 (Jay Keasling) 说。 “通过开发这些工具解锁米曲霉菌的潜力，我们也将解锁一大类新的宿主，我们可以利用它们生产食品、有价值的化学品、高能生物燃料和药物。这对生物制造来说是一个激动人心的新途径。”
基于他的烹饪背景，Hill-Maini 渴望确保下一代真菌产品不仅美味可口，而且真正吸引消费者，包括那些口味挑剔的人。在另一项研究中，他和 Keasling 与哥本哈根米其林二星餐厅 Alchemist 的厨师合作，探索了另一种多细胞真菌 Neurospora intermedia 的烹饪潜力。这种真菌传统上在印度尼西亚用于生产一种名为 oncom 的主食，方法是发酵制作豆腐等其他食品时产生的剩余废料。科学家和厨师对这种将剩余物转化为富含蛋白质的食品的能力很感兴趣，因此在 Alchemist 的试验厨房中研究了这种真菌。他们发现 N. intermedia 在生长过程中会产生并分泌许多酶。当它生长在淀粉含量高的米饭上时，真菌会产生一种液化米饭并使其变得非常甜的酶。“我们只用三种原料 - 米饭、水和真菌 - 开发了一种工艺，制作了一种颜色鲜艳、呈橙色的漂亮粥。” Hill-Maini 说。 “这道菜成为了品尝菜单上的一道新菜，它利用真菌的化学和颜色来制作甜点。我认为这表明了实验室和厨房之间存在着巨大的桥梁。”
Hill-Maini 在本文中描述的基因编辑研究工作得到了加州大学伯克利分校米勒研究所的支持。 Keasling 实验室得到了诺和诺德基金会的支持。他们还获得了美国能源部 (DOE) 科学办公室的额外支持。联合生物能源研究所是伯克利实验室管理的 DOE 生物能源研究中心。
劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室) 致力于通过清洁能源、健康地球和发现科学的研究为人类提供解决方案。伯克利实验室成立于 1931 年，基于这样一种信念：最大的问题最适合由团队解决。伯克利实验室及其科学家已获得 16 项诺贝尔奖。来自世界各地的研究人员依赖该实验室的世界级科学设施进行他们自己的开创性研究。伯克利实验室是由加州大学为美国能源部科学办公室管理的多项目国家实验室。
美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。
本文译自 Berkeley Lab，由 BALI 编辑发布。