把猪基因写进生菜里，科学家让植物长出肉类关键蛋白

2026-08-10 21:18:55来源：DeepTech深科技

科学家在生菜和烟草中，“种”出了肉类的关键蛋白！

近期，英国帝国理工学院等团队利用基因工程技术，将猪肌红蛋白基因导入生菜和烟草的叶绿体基因组，让植物叶绿体生产出原本存在于猪肌肉中的动物源肌红蛋白（Mb）。其中，烟草中的肌红蛋白积累量达到总可溶性蛋白的约 2.7%，生菜达到约 1.5%。

肌红蛋白是决定肉类颜色、风味和营养特征的关键蛋白之一。它不仅参与氧气结合，也携带血红素铁，并对肉类特有的鲜味、金属味以及红色外观产生影响。因此，如果替代肉想更接近真正的肉，需要解决的问题不只是如何复制肌肉纤维的质地，还包括如何获得这些真正赋予肉类特征的动物蛋白。

(相关资料图)

在以往的研究中，这类蛋白更多依赖微生物发酵生产。而这项提出了另一种思路：不一定要建更大的发酵罐，也可以直接把植物变成生产动物蛋白的生物工厂。研究结果显示，转基因植物能够正常生长和繁殖；而在进一步测试的烟草中，肌红蛋白的表达也未对主要光合作用指标造成显著影响。

该技术有望以更低资源消耗生产肉类关键成分，减少畜牧业环境负担。相关论文发表在 Frontiers in Plant Science[1]。“我们的研究首次证明，高等植物可以稳定地产生肌红蛋白，”该论文第一作者、伦敦帝国理工学院植物生物技术研究员 Alexia Groff 告诉媒体。

图丨相关论文（来源：Frontiers in Plant Science）

生菜里，真的长出了肉的蛋白

想要理解这项研究，我们首先需要了解下肌红蛋白的重要性。以牛排为例，它之所以是红色的，很大程度上与肌红蛋白密切相关。氧与肌红蛋白结合时会形成氧合肌红蛋白，使肉呈现鲜红色；没有氧结合时形成脱氧肌红蛋白，肉则呈现紫红色。

但颜色只是其中一部分。实际上，肌红蛋白携带的血红素铁比植物中常见的非血红素铁更容易被人体吸收。与此同时，肌红蛋白还参与塑造肉类的鲜味和所谓的“金属味”。

（来源：Frontiers in Plant Science）

此前，要想实现直接生产动物肌红蛋白，主要依赖大肠杆菌、酵母等微生物系统；也有研究人员曾尝试利用植物进行瞬时表达，但尚未在高等植物中实现稳定生产。在此次研究中，该团队选择了另一条路线——直接将猪肌红蛋白基因稳定整合进植物叶绿体基因组。

研究人员分别将经过密码子优化的猪肌红蛋白基因导入烟草和生菜叶绿体，并通过基因枪将携带 DNA 的金微粒轰击进入叶片细胞。经过反复筛选和植物再生之后，研究人员最终获得了叶绿体基因组稳定转化的植物。

结果进一步显示，外源基因已经稳定整合到叶绿体基因组。更关键的是，这些植物能够正常开花、产生种子，其后代依然保持相应遗传特征。换句话说，这不是在一批植物中暂时制造肌红蛋白，而是在一定程度上将生产肌红蛋白的能力迁移到了植物的叶绿体基因组。

为什么偏偏要把动物蛋白放进叶绿体？

这项研究最值得关注的地方，其实不只是植物能生产动物蛋白，而是研究人员选择了叶绿体作为生产车间。更关键的是，叶绿体本身也是植物血红素生物合成的重要场所。

植物中的血红素和叶绿素共享四吡咯生物合成途径。从理论层面看，将一种需要血红素才能发挥功能的蛋白直接放到叶绿体内部生产，有一个天然优势：蛋白和它所需要的辅基处于同一个生化环境中。

实验结果也印证了叶绿体表达的潜力。研究人员检测发现，转质体烟草中的猪肌红蛋白约占总可溶性蛋白的 2.8%，独立重复实验得到约 2.6%，因此论文给出的平均估算值约为 2.7%；生菜则达到约 1.5%。相比之下，莱茵衣藻中的牛肌红蛋白低于 0.25%。

（来源：Frontiers in Plant Science）

此外，研究团队还专门将叶绿体表达与传统的核表达进行了比较。结果显示，在分析的 37 株核转化植物中，肌红蛋白积累量始终低于叶绿体表达，差距至少达到 3 倍。

也就是说，至少在这项研究测试的烟草体系中，叶绿体不仅能够稳定生产肌红蛋白，表达量也明显高于两种核基因组表达方案。按鲜重计算，烟草中的肌红蛋白产量约为 94±12 mg/kg，生菜约为 48±2.6 mg/kg；如果按干重计算，二者分别达到约 800±110 mg/kg 和 810±60 mg/kg。

生菜在这里尤其值得关注。一直以来，烟草是植物分子农业中常用的模式植物，但它并不是食品。生菜则不同，它本身是可食用的作物。

这意味着，如果未来能够进一步提高表达量和蛋白功能，生产出来的蛋白未必一定要经历复杂的纯化流程，理论上有可能直接将富含目标蛋白的植物生物质加入食品体系。这也是植物生产系统相较传统发酵体系，具有显著不同的想象空间之一。

蛋白有了，血红素没跟上

那么，植物生产出的蛋白，能够等同于真正肉类中的肌红蛋白吗？要弄清这点，需要确认其是否具备相关功能。

肌红蛋白要发挥作用，必须把血红素装进去。没有结合血红素的肌红蛋白被称为脱辅基肌红蛋白（apo-Mb）；只有结合血红素、形成含血红素的完整肌红蛋白（holo-Mb）后，才能真正发挥氧结合等功能，并进一步影响肉类的颜色、营养和风味特征。

因此，研究人员进一步从烟草中纯化了猪肌红蛋白。质谱结果显示，植物生产出的肌红蛋白主体结构基本正确，也几乎没有发现明显的氧化损伤。圆二色谱结果进一步证明，这些蛋白形成了肌红蛋白典型的 α 螺旋结构。

真正的瓶颈出现在血红素。研究人员在实验检测中发现，烟草生产出的肌红蛋白中，只有大约 35% 与血红素结合。作为对照，同一研究中使用大肠杆菌生产的肌红蛋白，血红素结合率达到约 80%。

更有意思的是，研究人员发现，表达肌红蛋白的烟草叶片中，总血红素水平大约提高了一倍。也就是说，当叶绿体开始大量生产一个需要血红素的外源蛋白后，植物自身的代谢网络也随之增加了血红素供应。

但这种补偿仍然不够。据研究人员推测，大量表达外源血红素蛋白可能已经超过了植物自身血红素生物合成系统的能力。此外，血红素和叶绿素共享部分合成前体，二者之间或存在竞争；血红素插入脱辅基肌红蛋白的效率，也可能成为新的限制环节。

正是这些因素，让研究人员下一步的优化目标变得更明确：未来需要解决的，已经不只是怎样表达更多肌红蛋白，而是怎样让植物同时生产足够多的血红素，并把它高效装进肌红蛋白里。

研究团队提出了一些可能的方法，例如提高亚铁螯合酶 1（FC1）的表达，或补充 5-氨基乙酰丙酸（ALA）等血红素前体，从而增加四吡咯代谢通量。

也需要看到的是，这项技术距离量产还存在距离，动物肌肉中的肌红蛋白积累水平目前仍大约比植物体系高出 10 倍。此外，转基因食用作物可能还需要食品安全审批。