Military Science and Technology Special Issue | Cell Factory: The Superfood Production Workshop in the Microscopic World

细胞工厂：微观世界中超级食品生产车间 ■王云天 解放军报特约记者 李 芮 细胞工厂设备图。资料图片 酵母酿香、淀粉产粮、霉菌造蛋白、废物变营养……凭借几个发酵罐和一群微生物，就能造出粮食和蛋白吗？事实上，这些看似毫不相干的事情，背后指向同一个主角：细胞工厂。 近日，华南理工大学科研团队发表了题为《单细胞蛋白生物制造》的文章，总结了基于生物合成的单细胞蛋白在应急与特殊需求食品中的研究进展和发展前景，这与细胞工厂有着紧密的联系。 细胞工厂是什么？简单说，就是运用合成生物学技术，对微生物细胞进行定向改造，删掉不必要的“工序”，插入新的“生产模块”，把微小生命体变成一座座微型生产车间，让细胞按照人的意志通过代谢去合成目标产物。 理解细胞工厂的原理，先要厘清细胞与细菌、酵母等微生物的关系。简单来说，细胞是生命体结构和功能的基本单位；细菌、酵母等肉眼看不见的微小生命体，统称为微生物。它们大多属于单细胞生物，结构简单，仅靠一个细胞就能完成生长、代谢、繁殖等生命活动。正因为单个细胞本身就具备独立生存和运作的能力，科学家们才得以通过定向改造其代谢途径，让它们按照人的意愿合成目标产物。 细胞工厂生产的产品并非千篇一律。有的擅长把二氧化碳变成淀粉，有的能把废弃生物质转化为蛋白，有的专攻功能性食品配料的合成。细胞工厂的生产速度还很快，它的代谢转化周期以小时计，不需要大面积土地，而且对水资源的消耗很少。 正是由于具备上述特性，人们可以筛选优良菌种，调整菌种细胞的反应条件，按需生产各种人造食物，实现从“向土地要粮”到“向微生物要蛋白”的跨越。 其实，人类对细胞工厂的研究早在20世纪60年代便开始了。1961年，法国科学家雅各布和莫诺提出了调节基因回路的概念，人们开始思考构建在细胞内就能实现调控的系统，奠定了细胞工厂的核心理论基础。2000年，美国的加德纳和柯林斯构建了基因拨动开关，埃洛维茨和莱布利布设计了生物振荡器，人们开始进一步探索合成生物学；2005年，恩迪提出标准化、去耦合、抽象化三个理念，大大促进了合成生物学的发展。2010年，美国文特尔研究所宣布首个人工合成的原核生物基因组及细胞诞生，研究成果入选《科学》年度十大科学突破，细胞工厂研究迎来跨越式发展。 时至今日，细胞工厂已打通从实验室到生产线的壁垒，完成了质的蜕变。中国科学院天津工业生物技术研究所实现二氧化碳人工合成淀粉吨级中试，南京农业大学联合其孵化企业建成国内首个细胞培养肉全产业链研发生产平台。从人造淀粉到细胞培养肉，食品生产的边界正在被微生物重新定义。 如今，对细胞工厂的研究早已超出日常生活需要。放眼全球，美军已开展细胞工厂在军用食品中的应用探索。 2023年，美国国防高级研究计划局正式启动了“聚宝盆”项目，探索依托微生物，利用空气、水和电生产食品，目标是满足小规模作战部队45天的营养需求。2024年，美陆军作战能力发展司令部化学生物中心开始攻关“前沿部署生物制造”技术，利用重编程微生物在战地生产食品与营养制品。2026年，美陆军作战能力发展司令部士兵中心着手开展野战口粮蛋白技术项目征集，探索利用细胞工厂生产蛋白原料，支撑单兵口粮升级。虽然上述项目还处于研发调研阶段，但已清晰表明：细胞工厂正加速从实验室向军事领域延伸。 由此可见，对于军队而言，细胞工厂的意义不仅在于多一种物资来源，更在于增强极端环境下的自持力。细胞工厂一旦在野战食品中实现工业化生产，前沿战场便有望利用本地资源就地生产各类食物，最大程度维持生存力和战斗力。 尽管细胞工厂具有广阔的应用前景，但菌种自主可控、生产成本、行业标准、安全评估等，仍是其从实验室走向战场必须跨越的关口。在世界细胞农业方兴未艾之际，既要实现“0到1”的原始创新，也要打通“1到100”的成果转化，汇聚产学研合力，筑牢自主可控生物制造底座，让这座“无形良田”的产能真正释放。