农业废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，包含农业生产和畜禽养殖业中产生的废弃物，主要指农作物秸秆和畜禽粪便。
数据显示，我国每年产生各类秸秆约 9 亿吨、畜禽粪污约 38 亿吨。农业废弃物再利用，不仅能促进农业资源环境可持续发展，助力实现 “碳达峰、碳中和” 目标，还有助于延长现代农业产业链，拓宽农民增收渠道，具有经济、社会和生态等多重效益。
近日，来自上海农业科学院的研究人员利用食药两用真菌蛹虫草，将农业废弃物如秸秆和废弃菌渣转化成高附加值的抗癌药物喷司他丁，研究成果发表在期刊 Green Chemistry 上。
（来源：研究论文）
借此机会，生辉 SynBio 邀请到了文章的第一作者邹根博士来与我们分享他的研究成果。
图丨邹根（来源：受访者）
邹根在浙江慈溪中学读高中时就展现了对生物和化学浓烈的学习兴趣，因缘际会，大学被调剂到了浙江大学生物技术系，本科毕业后拿到了该校微生物系的直博机会，在浙江大学一待就是九年。2008 年博士毕业后来到中科院上海植生所分子微生物学开放实验室，在周志华研究院课题组读博后，在此第一次接触到合成生物学。2018 年他通过 “高端成熟人才” 被引进上海市农业科学院，目前他的研究内容主要为利用食药用菌将农业废弃物转化为高值产品如食用菌物蛋白、材料和药物等。
抗癌药物的 “细胞工厂”据估计，每生产 1 公斤蘑菇，就会产生 5 公斤的废弃蘑菇培养基质。目前，我国栽培食用菌年产量约 4000 万吨，产生约两亿吨的废弃蘑菇培养基质（SMS）。
SMS 富含木质纤维素、蛋白质、生物活性天然产物和其他必需元素，如被适当回收或再生利用，极有潜力成为一种较好的资源。在农业中，可用作肥料和堆肥；在工业中，基于 SMS 为底物的产品包括包装和建筑材料、生物燃料、化学品和酶，然而这些传统回收方法很耗时，转化率和附加值较低。因此，迫切需要环保、可持续的 SMS 处理措施。
于是，邹根团队看中了合成生物学技术，合成生物学已成功被应用于将废弃物转化为生物活性化合物，但多数细胞工厂的底盘生物是酵母菌或大肠杆菌。
邹根所在的上海农业科学院食用菌所选择的底盘生物是食用菌，例如金针菇、香菇、杏鲍菇等，邹根说道，食用菌本身就是食品，利用它生产的东西相对安全，由于饮食习惯，国外食用的菌类品种较少，更不必提把它开发成底盘细胞。在这篇文章中，邹根使用的是食药两用真菌蛹虫草。
“选择虫生真菌蛹虫草的原因有两个。首先，蛹虫草不仅是一种食用菌，还是一种名贵的药材，蛹虫草含有的一种活性物质是 FDA 认证的治疗白血病的一线药物喷司他丁，其他食用菌也有很多有生物活性的天然产物，但被 FDA 认证的其实很少，这不是对其他食用菌功效的否定，只能说现阶段还缺乏系统性临床实验。”
“其次，这种蘑菇长得较快，从孢子接种 20 几天就开始形成子实体了，很多食用菌栽培都是数以月计。” 他补充道。
通过在体外优化能有效降解 SMS 的纤维素酶混合物，然后将优化后的纤维素酶体系引入蛹虫草，成功将 SMS 转化为高附加值的抗癌药物喷司他丁，该方法生产喷司他丁的产量不仅比工业上常规利用抗生链霉菌发酵生产高 10 倍以上，而且与化学合成相比，避免了使用各种复杂有毒有害化学试剂，分离纯化更方便，整个合成过程也更环保。
图丨蛹虫草（来源：受访者）
蛹虫草和其他食用菌不同，其他常见的食用菌如香菇、金针菇等都是 “吃素” 的（以秸秆、棉籽壳等农业废弃物为培养料栽培），而蛹虫草则是用蚕蛹等昆虫活体栽培的，成本很高，邹根团队通过基因编辑技术又将其改造成以农业废弃料为食的生物。
邹根团队选择的基因编辑技术是无标记基因组编辑技术，这套丝状真菌基因组编辑技术是他在中科院时最早建立起来的，历经多次优化，第一个版本于 2015 年发表在 Cell Discovery 上，但这个版本还是依赖体内表达 Cas9 基因，第二个版本于 2020 年发表在 Microbial Biotechnology 上，实现了脱离转基因技术编辑丝状真菌，最新的版本于 2021 年发表在 ACS Synthetic Biology 上的，丝状真菌的基因编辑数目多至理论上的无限大。
该实验的创新之处在于第一次将食用菌做成抗癌药物的细胞工厂，并且成功将农业废弃物转化成了高附加值的抗癌药物，这充分验证了利用合成生物学可以实现高回报的农业生物经济与可持续的绿色生物制造，也是未来农业发展的方向。
但邹根表示，该实验仍有可以改进的地方，蛹虫草细胞工厂虽可利用纤维素为底物进行液态或者固态发酵，但一般秸秆和废弃菌渣等农业废弃物的主要成分是木质纤维素，而纤维素只是木质纤维素的一部分，木质纤维素相比纤维素是更为复杂、更难利用的一个成份，下一步计划是将废弃菌渣等农业废弃物的利用率进行进一步优化，建立更稳定和高效的细胞工厂。
“合成生物学助力乡村振兴”上文提到农业废弃物的主要成分是木质纤维素，因此最重要的还是如何高效地把木质纤维素转变成大多数生物都可以利用的简单糖，包括葡萄糖和木糖等。
草菇、香菇等大型真菌都是降解这些废弃物的 “能手”，邹根团队目前已有一个重大成果，从这些大型真菌中筛选获得了很多有特色的纤维素酶，这些酶不仅可以用在生物能源行业，还可以用在食品、造纸、印染等行业。
邹根说道，纤维素酶是转化农业废料为高值产品的基础，有了这个基础，我们不仅将农业废弃物转化为喷司他丁这种抗癌小分子药物，还构建了腺苷、虫草素、活性多糖等细胞工厂，另外也和中科院合作构建了免疫调节蛋白、人血清白蛋白等高附加值医疗蛋白的细胞工厂。
除此之外，邹根团队已利用食用菌合成生物学和相关公司一起将农业废弃物转化成菌物 “肉” 等产品，未来还有希望将它们转化成淀粉，同时将食用菌菌丝做成菌丝皮革、包装材料和建筑材料等。
（来源：受访者）
这些技术具有极大的应用前景，有望提高单位面积耕地的粮食有效产出率，增加种植者的收入，用低碳的方式开发出更加营养、健康的传统农产品的替代物。
近年来，我国在 “乡村振兴” 的国策下，农村面貌已有很大改善，但目前乡村发展仍存在局限，如农业的经营方式仍非常传统，以邹根研究的食用菌为例，虽然金针菇、杏鲍菇等少数食用菌已经进行了工厂化栽培，但实际上它还是传统的种植业，这种创新力和回报价值低的传统农业经营方式造成了农村人口的大量外流。
农科院的科技工作者致力于改善传统农业经营方式，提高农业废弃物的利用价值，从而提高从业者对废弃物回收利用的积极性，避免给生态环境造成压力，建立一种循环农业生产模式，让农业生产有更大的价值，这也是邹根团队之所以选择废弃菌渣转化抗癌药物的初衷。
邹根表示，他所在的上海农业科学院一直很注重科研成果的转化落地，在选择研究项目的开始就会考虑成果的应用价值，并会和一些农业公司进行对接。
他也希望利用合成生物学来对传统的农业生产方式进行颠覆性的升级，实现创新型的经济模式。通过高回报的农业生物经济吸引农村人口回流，可持续的生物制造建设美丽乡村。
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