生物技術的進步正在改變食品生產，真菌發揮著關鍵作用。 由Vayu Hill-Maini領導的研究利用基因工程來增強真菌的天然特性，創造營養豐富且可持續的肉類替代品。 這種方法不僅為食品科學開辟了新的途徑，而且還整合了復雜的烹飪套用。 Vayu Hill-Maini研究的基因編輯真菌培養物，在餐盤上看到。 圖片來源：Marilyn Sargent/柏克萊實驗室
破解真菌基因組，打造未來的智能食品。
隨著市場上無動物乳制品和令人信服的素食肉類替代品的出現，不難看出生物技術如何改變食品行業。 基因工程的進步使我們能夠利用微生物生產對消費者健康和環境更健康的零殘忍產品。
真菌是創新食品最有前途的來源之一，真菌是一個多樣化的生物王國，自然產生大量美味和營養的蛋白質、脂肪、抗氧化劑和風味分子。 勞倫斯柏克萊國家實驗室（柏克萊實驗室）生物科學領域的附屬機構、廚師出身的生物工程師Vayu Hill-Maini正在探索透過修改真菌中已經存在的基因來制造新口味和質地的多種可能性。
左邊的培養皿含有天然的酒曲黴菌，而右邊的培養皿經過精心設計，含有更高水平的麥角硫因營養素和更多的血紅素——一種在許多生物體中發現的鐵基分子，但在動物組織中特別豐富，這使肉類具有獨特的風味。 圖片來源：Marilyn Sargent/柏克萊實驗室
「我認為這是合成生物學的一個基本方面，我們從已經前進演化到非常擅長某些事情的生物體中受益，」Hill-Maini說，他是加州大學柏克萊分校生物工程專家Jay Keasling實驗室的博士後研究員。 「我們試圖做的是看看真菌是什麽，並試圖解鎖和增強它。 我認為這是一個重要的角度，我們不需要引入來自截然不同 的物種 的基因。 我們正在研究如何將事物拼接在一起並解鎖已經存在的東西。
真菌的遺傳增強
在他們最近發表在 【自然通訊 】雜誌上的論文中，加州大學柏克萊分校、聯合生物能源研究所和諾和諾德基金會生物可持續性中心的Hill-Maini及其同事研究了一種名為 米曲黴 的多細胞真菌，也稱為曲黴菌，幾個世紀以來一直在東亞用於將澱粉發酵成清酒、醬油和味噌。 首先，該團隊使用CRISPR-Cas9開發了一種基因編輯系統，該系統可以對曲黴基因組進行一致且可重復的更改。 一旦他們建立了一個編輯工具包，他們就會套用他們的系統進行修改，將黴菌提升為食物來源。
首先，Hill-Maini專註於促進黴菌產生血紅素，血紅素是一種鐵基分子，存在於許多生命形式中，但在動物組織中最為豐富，使有顏色和獨特的風味。 （合成生產的植物來源血紅素也賦予了 Impossible Burger 以肉類復制的特性。 接下來，該團隊增加了麥角硫因的生產，麥角硫因是一種僅在真菌中發現的抗氧化劑，與心血管健康益處有關。
第一作者Vayu Hill-Maini在加利福尼亞州埃默裏維爾聯合生物能源研究所的實驗室中。 圖片來源：Marilyn Sargent/柏克萊實驗室
在這些變化之後，曾經白色的真菌變紅了。 只需最少的準備工作——去除多余的水分並研磨——收獲的真菌就可以被塑造成肉餅，然後油炸成一個看起來很誘人的漢堡。
Hill-Maini的下一個目標是透過調整控制黴菌質地的基因，使真菌更具吸重力。 「我們認為，透過改變細胞的纖維狀形態來探索紋理的空間很大。 因此，我們也許能夠將批次纖維的結構編程為更長，從而提供更像肉的體驗。 然後我們可以考慮提高口感和進一步營養的脂質成分，「Hill-Maini說，他是加州大學柏克萊分校米勒科學基礎研究所的研究員。 「我真的很興奮，我們如何才能進一步研究這種真菌，並修補它的結構和食物代謝。
雖然這項工作只是利用真菌基因組創造新食物的旅程的開始，但它展示了這些生物體作為易於生長的蛋白質來源的巨大潛力，避免了當前肉類替代品的復雜成分清單以及阻礙培養肉推出的成本障礙和技術困難。 此外，該團隊的基因編輯工具包是整個合成生物學領域的巨大飛躍。
目前，各種各樣的生物制品是由工程細菌和酵母制成的，它們是蘑菇和黴菌的單細胞表親。 然而，盡管人類在馴化真菌以直接食用或制作味噌等主食方面有著悠久的歷史，但多細胞真菌尚未被利用為工程細胞工廠，因為它們的基因組要復雜得多，並且具有使基因編輯成為挑戰的適應力。 本文開發的CRISPR-Cas9工具包為輕松編輯曲黴及其許多親戚奠定了基礎。
油炸後的小曲黴餡餅。 圖片來源：Vayu Hill-Maini
「幾個世紀以來，這些生物一直被用來生產食物，它們在將碳轉化為各種復雜分子方面非常有效，包括許多使用啤酒酵母或 大腸桿菌 等經典宿主幾乎不可能生產的分子，」柏克萊實驗室高級科學家、加州大學柏克萊分校教授傑伊·基斯林說。 「透過開發這些工具來解鎖曲黴菌，我們正在釋放一個巨大的新宿主群體的潛力，我們可以利用這些宿主來制造食物、有價值的化學品、能量密集的生物燃料和藥物。 這是一條激動人心的生物制造新途徑。
連線實驗室和廚房
鑒於他的烹飪背景，Hill-Maini熱衷於確保下一代基於真菌的產品不僅可口，而且真正受到客戶的需求，包括那些口味復雜的客戶。 在另一項研究中，他和Keasling與哥本哈根米其林二星餐廳Alchemist的廚師合作，發揮了另一種多細胞真菌 Neurospora intermedia 的烹飪潛力。 這種真菌在印度尼西亞傳統上用於生產一種稱為 oncom 的主食，方法是發酵制作其他食物（如豆腐）時留下的廢物。 科學家和廚師對它能夠將剩菜轉化為富含蛋白質的食物的能力很感興趣，他們在煉金術士測試廚房中研究了這種真菌。
他們發現 中間奈瑟菌 在生長過程中產生和排泄許多酶。 當生長在澱粉質大米上時，真菌會產生一種酶，使大米液化並使其變得非常甜。 「我們開發了一種僅用三種成分（大米、水和真菌）的工藝，可以制作出一種美麗、醒目的橙色粥，」Hill-Maini 說。 「這成為品嘗選單上的一道新菜，在甜點中利用真菌化學和顏色。 我認為它真正表明的是，有機會在實驗室和廚房之間架起橋梁。
