二氧化碳“變”淀粉，二氧化碳“變”食用糖，二氧化碳還能“變”更多可能嗎？
繼2022年將二氧化碳還原合成葡萄糖和脂肪酸之后，中國科學院深圳先進技術研究院研究團隊在人工合成糖類衍生物領域取得又一重要突破。
12月5日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究員于濤團隊與客座研究員Jay D. Keasling團隊的最新研究成果發表于《自然—催化》。研究團隊利用合成生物學和代謝工程手段開發的酵母細胞平臺，能夠將二氧化碳衍生的低碳化合物例如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉化為糖及糖衍生物，包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。
二氧化碳合成的低碳化合物C1-3作為發酵原料，為微生物可持續生產食品及化學品提供了一種具有無限潛能的解決方案。該工作通過微生物細胞工廠實現了系統性的糖類衍生物生物合成，并驗證了多底物利用到多產物合成的可能，并在研究中以葡萄糖為案例，通過代謝重構和葡萄糖抑制調控，使其產量達到每升數十克。
深圳先進院合成所副研究員湯紅婷、研究助理吳良煥、助理研究員郭姝媛為共同第一作者。 Jay D. Keasling、于濤為共同通訊作者。深圳先進院為該成果第一單位。
構建能“吃”多產的酵母工廠
農業為社會提供食物和許多原材料，但目前面臨著巨大的挑戰。隨著人類活動加劇，大量二氧化碳排放造成的全球氣候變化和環境問題，嚴重影響了全球經濟和環境可持續發展。因此，開發一種經濟可行且不占用可耕地就能將二氧化碳轉變成糖衍生食品和化學品的技術迫在眉睫。
在該研究中，團隊首先通過分析酵母對不同低碳化合物的利用情況，構建了更廣碳源范圍的酵母工廠。“也就是說，我們拓寬了可利用的低碳原料譜，除了乙醇之外，釀酒酵母可利用乙二醇（C2）、異丙醇（C3）、丙酸（C3）和甘油為碳源進行細胞生長和葡萄糖生產。”文章通訊作者于濤解釋，研究團隊構建的釀酒酵母可以通過“吃”更廣范圍的碳源原料，來合成糖類衍生物。
進而，研究團隊通過碳源的混合使用以及比例調控，進一步提高了酵母細胞生長和葡萄糖產量。此外，通過工程畢赤酵母，能夠將甲醇（C1）高效的轉化為葡萄糖，其搖瓶產量可達到每升1.08克, 發酵罐產量達到了每升13.41克。
其次，研究團隊以乙醇、甲醇、異丙醇和甘油為碳源，進一步拓展了碳水化合物的多樣性，包括五碳糖、木糖、木糖醇、六碳糖化合物肌醇、氨基葡萄糖、二糖化合物蔗糖和多糖化合物淀粉。
“通過代謝工程手段和異源合成途徑的引入，獲得的工程酵母能成功的將低碳化合物轉化為單糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。其中肌醇和氨基葡萄糖的最高搖瓶產量分別達到了每升228.71毫克和每升69.99毫克。”文章第一作者湯紅婷說。
除了單糖，研究人員還實現更高碳含量的二糖的合成。在該研究中，通過引入集胞藻的蔗糖合成途徑和強化內源代謝流，獲得的工程菌株能高效的利用低碳化合物為碳源合成蔗糖，在此基礎上，通過表達蔗糖轉運蛋白，實現了蔗糖的分泌生產，其搖瓶產量可達到每升1.17克，發酵產量可達到每升25.41克。
從低碳到高碳，糖類衍生物更高產
從低碳到高碳碳水化合物通路復雜，構建從頭合成菌株存在一定的挑戰。
“在該研究中，我們還實現了在生活中方方面面都涉及到的淀粉的合成，其重要性不言而喻。”湯紅婷介紹，研究團隊通過在酵母細胞內引入兩條淀粉合成途徑和調控內源糖原合成及降解途徑，打通了從低碳化合物合成了高碳化合物——淀粉的合成路徑，其搖瓶產量可達到每升341.59毫克。
能合成淀粉的重組菌株（右）與不能合成淀粉的菌株（左）的碘染反應對比 科研團隊供圖
既然實現了酵母工廠能“吃”多產，那么，如何讓工廠更高產呢？
對此，團隊提供了以低碳化合物為碳源，高效生產高碳化合物的研究方法。雖然合成這些化合物需要引進外源途徑，但其中樞代謝皆為糖異生途徑。為了有效的提高葡萄糖及其衍生物的產量，研究人員以葡萄糖為研究案例，在釀酒酵母中通過基因過表達和調控葡萄糖抑制效應等手段，強化糖異生途徑來提高葡萄糖產量。
研究結果表明，調控葡萄糖抑制效應能夠有效提高葡萄糖的產量，提高幅度近一倍，搖瓶產量達到每升4.27克，發酵罐產量為每升18.28克。這不僅為葡萄糖及其衍生物的產量提高提供示例，該研究構建的葡萄糖合成菌株也為進一步研究葡萄糖抑制效應提供了平臺。
糖類、脂肪酸、蛋白質是人類三大基本營養物質。近些年，單細胞蛋白逐漸成為蛋白質的重要來源與研究熱點。在該研究中，研究團隊構建的工程酵母的蛋白含量約達到了細胞干重的50%，未來該技術有望以低碳原料實現糖類衍生物的高效產出，同時還能實現單細胞蛋白的副產，單細胞蛋白具有高水平的必需氨基酸，是潛在替代人類、動物和魚類飲食中的傳統蛋白質來源。
一直以來，深圳先進院研究團隊始終致力于利用合成生物學方法，解決可持續制造、綠色能源的生物存儲與糧食安全等重大問題。于濤表示，“本次研究實現了制備糖類衍生物產量的提升，未來我們希望能夠進一步推動鏈條式、規模化實現二氧化碳的綠色轉化與利用，將糖類衍生物的產量能夠達到工業化應用的級別”。
該研究利用新一代生物制造技術構建微生物細胞工廠，將二氧化碳衍生的甲醇等低碳化合物轉化為更高價值的糖類淀粉等糖類衍生物，有助于豐富基于可再生能源驅動的農業新范式。通過生物技術開發與研究推進糧食、化工品的生產，促進“雙碳”目標的實現。
相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-01063-7
本文鏈接：多產高產！二氧化碳制備糖類衍生物實現新突破http://www.lensthegame.com/show-11-1690-0.html
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