作者：刁雯蕙 來(lái)源：中國科學報 發布時(shí)間：2023/12/8 21:01:46

　　二氧化(huà)碳“變”澱粉，二氧化(huà)碳“變”食用(yòng)糖，二氧化(huà)碳還(hái)能“變”更多(duō)可(kě)能嗎?

　　繼2022年将二氧化(huà)碳還(hái)原合成葡萄糖和(hé)脂肪酸之後，中國科學院深圳先進技術研究院研究團隊在人(rén)工合成糖類衍生物(wù)領域取得(de)又一重要突破。

　　12月(yuè)5日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物(wù)學研究所研究員(yuán)于濤團隊與客座研究員(yuán)Jay D. Keasling團隊的(de)最新研究成果發表于《自然—催化(huà)》。研究團隊利用(yòng)合成生物(wù)學和(hé)代謝工程手段開發的(de)酵母細胞平台，能夠将二氧化(huà)碳衍生的(de)低碳化(huà)合物(wù)例如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉化(huà)爲糖及糖衍生物(wù)，包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和(hé)澱粉。

　　二氧化(huà)碳合成的(de)低碳化(huà)合物(wù)C1-3作爲發酵原料，爲微生物(wù)可(kě)持續生産食品及化(huà)學品提供了(le)一種具有無限潛能的(de)解決方案。該工作通(tōng)過微生物(wù)細胞工廠實現了(le)系統性的(de)糖類衍生物(wù)生物(wù)合成，并驗證了(le)多(duō)底物(wù)利用(yòng)到多(duō)産物(wù)合成的(de)可(kě)能，并在研究中以葡萄糖爲案例，通(tōng)過代謝重構和(hé)葡萄糖抑制調控，使其産量達到每升數十克。

　　深圳先進院合成所副研究員(yuán)湯紅婷、研究助理(lǐ)吳良煥、助理(lǐ)研究員(yuán)郭姝媛爲共同第一作者。 Jay D. Keasling、于濤爲共同通(tōng)訊作者。深圳先進院爲該成果第一單位。

　　構建能“吃(chī)”多(duō)産的(de)酵母工廠

　　農業爲社會提供食物(wù)和(hé)許多(duō)原材料，但目前面臨著(zhe)巨大(dà)的(de)挑戰。随著(zhe)人(rén)類活動加劇，大(dà)量二氧化(huà)碳排放造成的(de)全球氣候變化(huà)和(hé)環境問題，嚴重影(yǐng)響了(le)全球經濟和(hé)環境可(kě)持續發展。因此，開發一種經濟可(kě)行且不占用(yòng)可(kě)耕地就能将二氧化(huà)碳轉變成糖衍生食品和(hé)化(huà)學品的(de)技術迫在眉睫。

　　在該研究中，團隊首先通(tōng)過分(fēn)析酵母對(duì)不同低碳化(huà)合物(wù)的(de)利用(yòng)情況，構建了(le)更廣碳源範圍的(de)酵母工廠。“也(yě)就是說，我們拓寬了(le)可(kě)利用(yòng)的(de)低碳原料譜，除了(le)乙醇之外，釀酒酵母可(kě)利用(yòng)乙二醇(C2)、異丙醇(C3)、丙酸(C3)和(hé)甘油爲碳源進行細胞生長(cháng)和(hé)葡萄糖生産。”文章(zhāng)通(tōng)訊作者于濤解釋，研究團隊構建的(de)釀酒酵母可(kě)以通(tōng)過“吃(chī)”更廣範圍的(de)碳源原料，來(lái)合成糖類衍生物(wù)。

　　進而，研究團隊通(tōng)過碳源的(de)混合使用(yòng)以及比例調控，進一步提高(gāo)了(le)酵母細胞生長(cháng)和(hé)葡萄糖産量。此外，通(tōng)過工程畢赤酵母，能夠将甲醇(C1)高(gāo)效的(de)轉化(huà)爲葡萄糖，其搖瓶産量可(kě)達到每升1.08克, 發酵罐産量達到了(le)每升13.41克。

　　其次，研究團隊以乙醇、甲醇、異丙醇和(hé)甘油爲碳源，進一步拓展了(le)碳水(shuǐ)化(huà)合物(wù)的(de)多(duō)樣性，包括五碳糖、木(mù)糖、木(mù)糖醇、六碳糖化(huà)合物(wù)肌醇、氨基葡萄糖、二糖化(huà)合物(wù)蔗糖和(hé)多(duō)糖化(huà)合物(wù)澱粉。

　　“通(tōng)過代謝工程手段和(hé)異源合成途徑的(de)引入，獲得(de)的(de)工程酵母能成功的(de)将低碳化(huà)合物(wù)轉化(huà)爲單糖木(mù)糖、木(mù)糖醇、肌醇和(hé)氨基葡萄糖。其中肌醇和(hé)氨基葡萄糖的(de)最高(gāo)搖瓶産量分(fēn)别達到了(le)每升228.71毫克和(hé)每升69.99毫克。”文章(zhāng)第一作者湯紅婷說。

　　除了(le)單糖，研究人(rén)員(yuán)還(hái)實現更高(gāo)碳含量的(de)二糖的(de)合成。在該研究中，通(tōng)過引入集胞藻的(de)蔗糖合成途徑和(hé)強化(huà)内源代謝流，獲得(de)的(de)工程菌株能高(gāo)效的(de)利用(yòng)低碳化(huà)合物(wù)爲碳源合成蔗糖，在此基礎上，通(tōng)過表達蔗糖轉運蛋白，實現了(le)蔗糖的(de)分(fēn)泌生産，其搖瓶産量可(kě)達到每升1.17克，發酵産量可(kě)達到每升25.41克。

　　從低碳到高(gāo)碳，糖類衍生物(wù)更高(gāo)産

　　從低碳到高(gāo)碳碳水(shuǐ)化(huà)合物(wù)通(tōng)路複雜(zá)，構建從頭合成菌株存在一定的(de)挑戰。

　　“在該研究中，我們還(hái)實現了(le)在生活中方方面面都涉及到的(de)澱粉的(de)合成，其重要性不言而喻。”湯紅婷介紹，研究團隊通(tōng)過在酵母細胞内引入兩條澱粉合成途徑和(hé)調控内源糖原合成及降解途徑，打通(tōng)了(le)從低碳化(huà)合物(wù)合成了(le)高(gāo)碳化(huà)合物(wù)——澱粉的(de)合成路徑，其搖瓶産量可(kě)達到每升341.59毫克。

　　既然實現了(le)酵母工廠能“吃(chī)”多(duō)産，那麽，如何讓工廠更高(gāo)産呢(ne)?

　　對(duì)此，團隊提供了(le)以低碳化(huà)合物(wù)爲碳源，高(gāo)效生産高(gāo)碳化(huà)合物(wù)的(de)研究方法。雖然合成這(zhè)些化(huà)合物(wù)需要引進外源途徑，但其中樞代謝皆爲糖異生途徑。爲了(le)有效的(de)提高(gāo)葡萄糖及其衍生物(wù)的(de)産量，研究人(rén)員(yuán)以葡萄糖爲研究案例，在釀酒酵母中通(tōng)過基因過表達和(hé)調控葡萄糖抑制效應等手段，強化(huà)糖異生途徑來(lái)提高(gāo)葡萄糖産量。

　　研究結果表明(míng)，調控葡萄糖抑制效應能夠有效提高(gāo)葡萄糖的(de)産量，提高(gāo)幅度近一倍，搖瓶産量達到每升4.27克，發酵罐産量爲每升18.28克。這(zhè)不僅爲葡萄糖及其衍生物(wù)的(de)産量提高(gāo)提供示例，該研究構建的(de)葡萄糖合成菌株也(yě)爲進一步研究葡萄糖抑制效應提供了(le)平台。

　　糖類、脂肪酸、蛋白質是人(rén)類三大(dà)基本營養物(wù)質。近些年，單細胞蛋白逐漸成爲蛋白質的(de)重要來(lái)源與研究熱(rè)點。在該研究中，研究團隊構建的(de)工程酵母的(de)蛋白含量約達到了(le)細胞幹重的(de)50%，未來(lái)該技術有望以低碳原料實現糖類衍生物(wù)的(de)高(gāo)效産出，同時(shí)還(hái)能實現單細胞蛋白的(de)副産，單細胞蛋白具有高(gāo)水(shuǐ)平的(de)必需氨基酸，是潛在替代人(rén)類、動物(wù)和(hé)魚類飲食中的(de)傳統蛋白質來(lái)源。

　　一直以來(lái)，深圳先進院研究團隊始終緻力于利用(yòng)合成生物(wù)學方法，解決可(kě)持續制造、綠(lǜ)色能源的(de)生物(wù)存儲與糧食安全等重大(dà)問題。于濤表示，“本次研究實現了(le)制備糖類衍生物(wù)産量的(de)提升，未來(lái)我們希望能夠進一步推動鏈條式、規模化(huà)實現二氧化(huà)碳的(de)綠(lǜ)色轉化(huà)與利用(yòng)，将糖類衍生物(wù)的(de)産量能夠達到工業化(huà)應用(yòng)的(de)級别”。

　　該研究利用(yòng)新一代生物(wù)制造技術構建微生物(wù)細胞工廠，将二氧化(huà)碳衍生的(de)甲醇等低碳化(huà)合物(wù)轉化(huà)爲更高(gāo)價值的(de)糖類澱粉等糖類衍生物(wù)，有助于豐富基于可(kě)再生能源驅動的(de)農業新範式。通(tōng)過生物(wù)技術開發與研究推進糧食、化(huà)工品的(de)生産，促進“雙碳”目标的(de)實現。

　　相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-01063-7