《科学通报》2026年11月上旬刊（单细胞蛋白生物制造战略需求与技术挑战专辑 ） | 文章速递

蛋白质是生命活动的物质基础，稳定的优质蛋白质供给是筑牢国家粮食安全底线的重要支撑，也是提升国民营养健康水平的重要保障。随着全球人口增长与蛋白质需求持续攀升，传统蛋白生产方式面临资源消耗加剧、环境承载趋紧与供给能力不足等多重挑战，亟需开辟高效、低成本、可持续的新型蛋白制造路径。单细胞蛋白生物制造以微生物细胞工厂为核心，为拓展非粮蛋白资源、推动农业废弃物资源化利用和构建新型蛋白供给体系提供了全新途径。

本期“单细胞蛋白生物制造战略需求与技术挑战专辑”汇集工业菌株创制、酶智能发掘与改造、非粮原料高效转化、单细胞蛋白功能评价及应用等领域的前沿进展，展示了合成生物学与人工智能赋能微生物细胞工厂设计、代谢调控和生物制造工艺优化的创新潜力，推动甲醇、二氧化碳及农业生物质等多元原料向优质蛋白质与功能性营养物质高效转化。

封面图片进一步呈现了这条生物制造路径：以二氧化碳、甲醇和农业废弃物等非粮原料，通过“细胞工厂”生物制造蛋白原料、功能性肽和酶等，可作为优质蛋白质原料应用于动物、宠物和人类营养等领域，有助于减轻传统蛋白生产的资源环境压力并补充供给，助力国家粮食安全与绿色低碳发展。封面借助人工智能工具GPT Image 2绘图。

香山科学会议专栏 · 单细胞蛋白生物制造战略需求与技术挑战专辑

编者按

吴信

进展

吴信, 吴凡, 张哲瑞, 高乐

随着全球经济的发展和生活质量水平的提高, 人类对于动物源蛋白的需求持续增长, 亟需开发可持续的替代蛋白源用于饲料及食品. 以车间制造的方式生产单细胞蛋白(single cell protein, SCP)，不仅是解决蛋白资源短缺的可行策略, 更将在减缓气候变化、促进资源循环利用方面发挥重要作用. 本文系统评述了SCP的研究现状和发展前景, 及其作为高接受度产品在推广过程中遇到的问题与解决措施.

评述

袁洁, 董灿灿, 戎友燕, 李雨蒙, 吴信

本文系统总结毕赤酵母作为单细胞蛋白生产平台的研究进展. 文章聚焦毕赤酵母代谢网络重构、适应性进化与工艺优化等关键方向, 阐述了高效、可持续蛋白合成的分子机制, 并展望了人工智能与合成生物学融合推动未来“微生物智造”发展的战略前景.

高子熹, 费强

我国分散式甲烷资源丰富但燃烧附加值低. 本文提出生物转化甲烷制备微生物蛋白的高值路线, 阐述甲烷基微生物蛋白增强动物免疫力、保护肠道健康的功效. 提出借助合成生物学技术改造嗜甲烷菌生产定制化蛋白的策略,为破解分散式甲烷利用难题、推动养殖业绿色转型提供思路.

林雪城, 王岚, 陈洪章

单细胞蛋白大规模生物制造依赖木质纤维素糖源成本降低. 本文立足全流程, 从秸秆组织分级、化学-生物协同酶解、周期蠕动强化高固酶解和微生物利用秸秆糖等阐述了木质纤维素炼制技术突破, 为廉价非粮糖源制备乃至单细胞蛋白产业变革提供技术支撑.

张哲瑞, 蒋芳婷, 高乐, 张桂杰

本文综述了农作物秸秆生物质生产微生物蛋白(microbial protein, MP)过程中涉及到的菌种选育以及酶策略, 括木质素抗降解屏障的破解方法, 以及秸秆碳源生物转化的研究现状, 合成生物学与人工智能技术有助于这一领域的发展, 缓解“人畜争粮”现状, 促进可持续发展.

张颜伊, 汪路杰, 程峰, 薛亚平

单细胞蛋白(single cell protein, SCP)作为“可持续”的优质替代蛋白, 在生产制造中面临生产菌株转化效率低、关键酶稳定性不足及营养组成失衡等挑战. 本文综述了酶定向进化技术的最新进展, 重点介绍了第二代定向进化策略(边进化边获得理性设计的经验, 不断通过“机器学习辅助-关键位点突变-快速筛选”高效优化SCP生产用关键酶的各种性能)，分析总结该技术在增强酶稳定性、提升底物转化率及改善产品SCP营养品质方面的相关案例, 并展望人工智能与合成生物学融合下的SCP生产制造未来的发展方向, 为SCP的大规模工业化生产提供前沿视角和可行路径.

林蓓蓓, 苏浩, 盛翔

本文聚焦计算化学驱动的酶理性设计, 系统介绍分子对接、分子动力学模拟、量子化学团簇方法以及量子力学/分子力学组合法等多尺度计算方法及其在酶稳定性、底物特异性、催化活性和选择性优化中的应用. 通过典型案例, 阐释如何利用关键机理信息指导突变位点的精准设计.

王敏, 王立雅, 任娇艳

本文综述了基于生物合成的单细胞蛋白(single-cell protein, SCP)在应急食品与特殊需求食品中的应用潜力, 系统梳理了SCP的营养特性、底盘微生物、制备工艺及功能化产品形态, 分析了其在极端环境保障、精准营养支持与产业化应用中的优势与挑战.

赵亚平, 田旭彤, 罗掬月, 刘璐, 李雨蒙

微生物源生物活性肽凭借其抗菌、抗氧化、免疫调节等多重功能, 在医药与功能食品领域展现出巨大潜力. 本文系统总结了微生物合成活性肽的三大途径—核糖体、非核糖体与酶解法, 解析了细菌、真菌、工程菌及古菌来源活性肽的特性与作用机制, 并探讨了代谢工程与发酵优化策略对产物效率的提升. 文章进一步展望了人工智能在活性肽理性设计与功能预测中的前沿应用, 为微生物“细胞工厂”的绿色制造与产业化发展提供理论支撑.

张会会, 黄政瑶, 吴玉颖, 郑英钢, 李镇江, 冯莹莹

本文系统综述了利用食用菌发酵技术将农业废弃物转化为高价值饲用蛋白的研究进展. 阐述了食用菌降解木质纤维素的酶学机制、液态与固态发酵工艺, 以及在反刍动物饲养中的应用效果与潜力. 文章指出, 该技术为同时缓饲料蛋白短缺和农业废弃物污染提供了绿色高效的解决方案, 并对未来菌种选育、工艺标准化及产业链整合方向进行了展望.

刘涛, 吕青阳, 田雪平, 闫志英

本文综述了利用固态发酵转化农业副产物为蛋白饲料的研究进展, 梳理了典型副产物的营养特性与抗营养因子,剖析了功能菌株选育、原料预处理、发酵工艺调控及反应器选型等关键技术环节, 探讨了发酵饲料在动物养殖中的应用效果, 并展望了该领域未来的发展方向.

王腊梅, 王砀砀, 芦晶, 姚军虎, 吴信, 曹阳春

本综述系统探讨了单细胞蛋白(SCP)在动物饲料中的应用与发展前景. 文章重点介绍SCP的营养特性、原料来源及生产工艺进展, 并综述其在畜禽与水产养殖中的应用效果. 结合当前资源紧张与环境压力, 进一步评估了SCP在缓解蛋白质饲料短缺、推动畜牧业绿色发展和生态保护中的潜力, 同时指出产业化推广仍面临的技术与成本挑战,为未来研究与实践提供参考.

论文

张洪, 葛倩, 王雪琦, 田京雷, 马飞, 王炳俨, 蔡文芳, 崔凯, 郭坤

本研究比较单室反应器中原位与异位电解供氢氧时氢氧化菌固碳产单细胞蛋白性能. 原位模式强化氢氧传质, 生物质产量提高, 但其发酵环境使基于电解能耗和H2化学需氧量当量的生物质得率低于异位模式. 研究揭示传质、生物相容性与能效的权衡, 为工程选择提供依据.

刘璐, 张喜才, 杨旭东, 郜陆敏, 王蜀金, 杨红军, 刘春龙

毕赤酵母蛋白能否在保证动物生长性能的同时调控宿主代谢与肠道微生态尚缺乏系统研究. 本研究发现, 毕赤酵母水解蛋白替代豆粕不影响断奶仔猪生长性能, 却可显著重塑血清代谢谱和肠道菌群组成, 为开发可持续蛋白资源及解析其营养调控机制提供了新的理论依据.

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