重磅解读我国诺奖级成果:如何凭“空”合成淀粉?

发布于 2021-09-26 17:52


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以CO2为原料的淀粉无细胞化学-酶法合成

导  读

2021年9月24日,中科院天津工业生物技术研究所、大连化学物理研究所:蔡韬(共同一作)、Sun Hongbing(共同一作)、Qiao Jing(共同一作)、Zhu Leilei(共同一作)、马延和*(通讯)在国际顶级期刊Science发表题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”的重磅研究性论文(Report)。
很多植物将光合作用合成的葡萄糖转化为聚合物,形成不溶性的淀粉颗粒,并以这种形式在根部和种子中长期储存能量。本研究开发了一套混合系统,其中CO2被一种无机催化剂还原为甲醇(C1),再通过酶催化依次转化为三碳糖单位(C3)、六碳糖单位(C6)和最后的聚合淀粉(Cn)。这种淀粉人工合成途径依赖于来自31种动物、植物和微生物的62种工程化重组酶,可以在生产直链淀粉和支链淀粉之间调整,与其他基于合成法的碳固定系统相比具有极高的速度和效率。
该研究通过耦合化学催化与生物催化模块体系,形成了高密度能量与高浓度CO2利用的生物过程创新技术,通过反应时空分离优化解决了人工合成途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题。按照目前的技术参数,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器的年产淀粉量将相当于5亩土地种植玉米的淀粉产量(按中国玉米淀粉平均亩产量计算)。这一成果使淀粉生产从传统农业种植模式向工业化车间生产模式的转变成为可能,并为以CO2为原料的复杂分子合成开辟了新的技术路线。


研究亮点

(1)首次实现了CO2到淀粉分子的从头(全人工)合成。
(2)该人工合成途径无细胞化、不依赖于光合作用。
(3)采用该途径的淀粉合成速率比自然界玉米淀粉合成速率高8.5倍。
(4)采用该途径的反应步骤从自然界的60步缩减至仅需11步。
(5)采用该途径能将能量转换效率从自然界的2%提升至7%。

研究结论

淀粉是碳水化合物的一种储存形式,是人类饮食中热量的主要来源,也是生物工业的主要原料。本研究报道了一种在无细胞系统中用CO2和氢能合成淀粉的化学-生化混合途径。淀粉人工合成途径(ASAP)由11个核心反应组成,由计算机反应途径设计,通过模块化组装替代建立,并采用蛋白质工程对三个反应瓶颈相关的生物酶进行优化。在一个时空隔离的化学-酶反应系统中,ASAP在氢能的驱动下,CO2以每毫克总催化剂每分钟22 nmol CO2的速度转化为淀粉,比自然界玉米淀粉的合成速率高8.5倍。这种方法将为今后以CO2为原料、基于化学-生物混合法的淀粉合成开辟道路。

图1 淀粉人工合成途径的设计和模块化组装

表1 ASAP与其他天然途径和人工合成途径的对比

图2 ASAP中主要反应瓶颈的解决

图3 通过ASAP从CO2合成淀粉分子

图4 蔡韬副研究员(共同一作)及其采用ASAP途径人工合成的淀粉样品

马延和

马延和,男,汉族,1961年10月生,河北盐山人,农工党成员,1983年8月参加工作,在职研究生学历,工学博士,研究员。现任天津市第十七届人大常委会副主任,农工党中央常委、天津市委会主委、滨海新区区委会主委,中国科学院天津工业生物技术研究所所长,滨海新区政协副主席(兼)。
学术兼职:国际嗜盐微生物委员会委员、北京市微生物学会副理事长、中国生物工程学会副秘书长、糖生物工程专业委员会副主任、国家“863”计划生物医药领域专家、国家生物产业发展咨询专家委员会副秘书长、中国科学院工业生物技术专家委员会副主任、《Saline Systems》副主编、《生物加工过程》副主编。
研究方向:极端微生物的认识与利用,主要包括极端环境的微生物区系生态与生物多样性、极端微生物生理机制与功能多样性、极端微生物特殊功能与产物的开发和利用。目前的重点是发展采样、分离、培养、分子操作等新的方法技术,进行极端环境的物种与基因分析;分析极端微生物嗜极特性及其分子基础,开展极端微生物的分子生理学研究;开发极端酶等新产物,探讨其在寡糖生产、生物催化等方面的应用途径。
承担课题:国家973计划项目“生物炼制细胞工厂的科学基础”;国家863计划项目“极端微生物功能基因的克隆、表达与应用研究”;国家973计划项目课题“生物催化剂多样性的研究”;国家科技重大专项“嗜盐碱微生物抗盐碱基因的克隆与功能验证”;中科院知识创新重大项目“纤维素乙醇的高温发酵与生物炼制”;中科院知识创新项目“极端酶的分子机制与利用基础”;国际合作欧盟第五框架计划项目“Multigenome Access Technology for Industrial Catalysts from Extreme Environments”。
所获荣誉:2000年度国家科学技术发明二等奖、中国科学院发明二等奖、“九五”国家重点攻关计划全国先进个人、中国科学院第六届十大杰出青年。

原文链接

https://doi.org/10.1126/science.abh4049

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