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Trends Biotechnol：葡萄与葡萄酒生物技术中的生物信息学趋势
发布时间：
2025-01-21
来源：
葡藤匠心网
葡萄与葡萄酒生物技术中的生物信息学趋势
期刊：Trends in Biotechnology（14.3）
发表日期：2022年
研究摘要
本文探讨了葡萄与葡萄酒行业在面对全球生物冲击（如疫情、病虫害和气候变化）时，生物技术和生物信息学工程的发展趋势。通过回顾历史上的危机事件（如19世纪的根瘤蚜大流行），强调了跨学科研究、科学合作以及基础研究投资的重要性。文中详细介绍了计算机辅助设计（CAD）在葡萄种植、发酵和成熟过程中的应用进展，以及生物铸造厂如何通过整合网络生物技术实现高通量自动化，从而为葡萄酒行业带来变革性的生物信息工程机会。此外，文章还讨论了这些技术发展所面临的生物伦理问题，强调了在追求创新的同时，必须考虑消费者偏好、生物安全和伦理因素，以确保行业的可持续发展。
研究背景
新冠疫情等全球性危机凸显了生物冲击对人类社会和经济的巨大影响，也促使人们更加关注生物技术在应对公共安全、网络生物韧性、环境可持续性和生物经济安全等方面的作用。在葡萄与葡萄酒行业，历史上也曾遭受过如根瘤蚜大流行等严重的生物冲击，这些事件促使行业不断寻求创新解决方案。当前，气候变化也对葡萄种植和葡萄酒酿造构成了潜在威胁，如温度变化可能影响葡萄的生长和品质，增加病虫害的发生风险。在这样的背景下，生物技术和生物信息学工程的发展为葡萄与葡萄酒行业提供了应对未来挑战的新机遇。
研究内容
本研究主要采用文献综述和案例分析的方法。作者广泛查阅了生物技术、生物信息学、工程生物学等领域的相关文献，以及葡萄与葡萄酒行业的历史资料和研究报告。通过对这些文献的综合分析，梳理出生物信息学在葡萄与葡萄酒行业中的应用现状和发展趋势。同时，文中还列举了多个实际案例，如计算机辅助设计（CAD）工具在代谢网络分析、基因序列设计中的应用，以及生物铸造厂在应对COVID19疫情中的作用等，以具体说明相关技术的实际效果和潜力。
表1. 葡萄和葡萄酒生物信息学研究的挑战和机遇
研究结果
1.计算机辅助设计（CAD）的进展
自20世纪90年代中期以来，CAD在生物工程领域取得了显著进展，使生物工程师能够更精确地设计新功能。在葡萄与葡萄酒行业，CAD产品贯穿整个生产周期，尤其在葡萄种植、发酵和成熟环节发挥重要作用。早期的CAD工具主要聚焦于代谢网络，通过约束基化学计量和热力学模型预测基因敲除和环境条件对代谢产物的影响。如今，软件工具如Benchling、Geneious、TeselaGen和J5等可辅助基因序列设计，Cello等工具可用于设计遗传电路，Rosetta用于设计新型蛋白质，RetroPath和BNICE等可提出逆合成代谢途径。机器学习（ML）也逐渐成为生物设计构建测试学习（DBTL）循环的关键部分，从最初用于优化简单遗传基序（如核糖体结合位点和启动子变体），发展到如今能够进行更复杂的代谢网络/途径设计迭代。未来，CAD的发展将朝着整合现有工具、提高设计抽象水平的方向发展，而生物系统设计和功能的标准化报告将是实现这一目标的关键，例如合成生物学开放语言（SBOL）为生物部件设计和功能的标准化描述提供了框架，全球生物铸造厂联盟致力于共享生物自动化协议、项目和数据。
图1. 从葡萄到酒杯的信息生物系统
2. 生物铸造厂与网络生物融合
生物铸造厂将工程思维和专业知识从半导体制造领域引入生物领域，实现了高通量自动化和大规模生产的生物经济。以美国为例，其半导体和工程生物学的产业政策轨迹相似，从20世纪80年代的半导体制造技术（SEMATECH）计划到如今的工程生物学研究联盟（EBRC），公私研发协调的工具和技术保持一致。在COVID19疫情期间，全球生物铸造厂联盟和国际基因合成联盟的成员单位迅速调整，开发高通量检测协议和病毒样颗粒，展示了生物铸造厂在应对生物冲击方面的能力。这种网络生物融合体现在多个方面：一是工程思维和DBTL框架在生物功能中的应用；二是通过CAD工具对生物功能进行多尺度数字抽象；三是创建、开发、标准化和维护不同长度尺度抽象（如蛋白质、抗体、基因组、基因部件、生物设备及其相关元数据）的生物信息库。
图2. 生物铸造厂的设计-构建-测试-学习周期，以实现工业规模化
3. 生物信息学在葡萄种植和酿造中的应用
多尺度监测与精准干预：多尺度哨兵农业是一个有前景的研发方向，其通过整合网络生物技术，实现有机和无机信息系统（如生物设备和计算机系统）之间的双向通信。例如，配备生物传感器的哨兵葡萄藤可将葡萄园中的生物信息（如水分胁迫、霉菌诱导的压力和其他生物胁迫）通过卫星星座或第五代电信基础设施传输到附近的“智能农场”，从而实现精准干预，如自动开启灌溉系统，优化水资源利用和提高作物产量。
自主发酵控制：自主发酵罐（生物反应器）能够实现智能培养条件控制，通过光遗传控制基因表达和生物传感器介导的酵母和乳酸菌细胞内生理状态输出，无需酿酒师干预即可优化发酵过程，提高葡萄酒的生产和质量。
合成生物学在葡萄酒风味和可持续性方面的应用：随着气候变化影响传统葡萄酒产区，合成生物学工具可用于维持葡萄酒的理想特性和提升风味。例如，通过改造酵母菌株，使其将碳通量转向生产甘油，从而降低葡萄酒中的酒精含量；或增强酵母产生特定风味分子（如硫醇和覆盆子酮）的能力。在酿造行业，已有成功案例，如改造酵母生产啤酒花风味，减少了对啤酒花种植的依赖，降低了土地、水、肥料和温室气体的使用。此外，一些公司正在商业化工程酵母菌株，以提高葡萄酒和啤酒的性能、风味和环境可持续性，同时探索利用可持续碳源（如温室气体）进行发酵，减少对资源密集型谷物或葡萄的需求，实现更环保的酒精饮料生产。
图3. 葡萄酒商的生物物联网
4. 生物伦理与生物信息的平衡
在追求生物技术创新以应对生物冲击的过程中，葡萄与葡萄酒行业必须遵循生物伦理原则。欧洲在葡萄酒酿造历史中长期主导着生物伦理标准的制定，但随着全球生产和消费模式的变化，这一标准需要适应新的形势。例如，在合成生物学应用于葡萄酒酿造时，如改造酵母菌株或利用生物传感器进行生产控制，必须考虑消费者的接受程度、潜在的环境影响以及对传统酿造工艺的尊重。同时，行业的发展也需要在创新与保持葡萄酒酿造的文化和传统之间找到平衡，确保生物信息学技术的应用符合伦理和可持续发展的要求。
研究结论与意义
生物信息学工程在葡萄与葡萄酒行业的发展中具有重要作用，通过整合生物技术和信息科学，能够为应对全球生物冲击（如病虫害、气候变化）提供创新解决方案。计算机辅助设计（CAD）的不断进步，尤其是机器学习在生物设计中的应用，将推动生物系统设计的标准化和抽象化，提高葡萄酒生产过程的精准性和可控性。生物铸造厂的发展和网络生物融合为行业带来了高通量自动化的生产能力，在应对突发公共卫生事件（如COVID19）中表现出巨大潜力，也为葡萄酒行业的未来发展提供了借鉴。多尺度哨兵农业、自主发酵控制和合成生物学在葡萄酒风味与可持续性方面的应用，展示了生物信息学在优化葡萄种植、酿造过程以及提升产品品质和环境可持续性方面的广阔前景。在采用这些新技术和方法时，必须充分考虑生物伦理因素，确保行业发展在创新与传统、经济效益与社会责任之间保持平衡。
本研究丰富了生物信息学在特定农业领域（葡萄与葡萄酒行业）的应用理论，为跨学科研究（如生物技术、信息科学、工程学和伦理学）提供了实证案例，有助于进一步拓展和深化相关领域的理论体系。为葡萄种植者和酿酒师提供了应对气候变化和生物冲击的新策略和技术手段，有助于提高行业的抗风险能力和可持续发展能力。指导行业在采用新技术时遵循生物伦理原则，保障消费者权益和行业声誉。为政策制定者提供了基于科学研究的决策依据，有助于制定促进葡萄与葡萄酒行业创新发展、生物安全管理和可持续发展的政策法规。
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