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二氧化碳制備糖類衍生物取得突破實(shí)現(xiàn)微生物的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”
文章來源：中國化工報(bào) 更新時(shí)間：2023-12-12 15:14:57
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中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于濤課題組利用合成生物學(xué)和代謝工程手段開發(fā)的酵母細(xì)胞平臺(tái)，將甲醇、乙醇、異丙醇等低碳化合物，轉(zhuǎn)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。該研究將二氧化碳合成的低碳化合物作為發(fā)酵原料，為微生物可持續(xù)生產(chǎn)食品及化學(xué)品提供了一種具有無限潛能的方式。相關(guān)研究成果12月5日發(fā)表于《自然—催化》。
二氧化碳排放造成的全球氣候變化和環(huán)境問題嚴(yán)重影響了全球經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)可行且不占用耕地就能將二氧化碳轉(zhuǎn)變成糖衍生食品和化學(xué)品的技術(shù)備受矚目。在過去幾十年里，二氧化碳通過熱化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)等耦合策略轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的低碳化合物已經(jīng)取得了進(jìn)展。然而，通過這些平臺(tái)生產(chǎn)復(fù)雜的化合物是極其困難的。
為了解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)首先通過分析酵母對(duì)不同低碳化合物的利用情況，拓展了微生物細(xì)胞工廠的碳源范圍。“我們擴(kuò)大了可利用的低碳原料譜。除了乙醇之外，釀酒酵母可將乙二醇、異丙醇、丙酸和甘油作為碳源用于細(xì)胞生長(zhǎng)和葡萄糖生產(chǎn)。”于濤介紹說，研究團(tuán)隊(duì)通過碳源的混合使用以及比例調(diào)控，進(jìn)一步促進(jìn)了酵母細(xì)胞生長(zhǎng)，提高了葡萄糖產(chǎn)量。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)以乙醇、甲醇、異丙醇和甘油為碳源，進(jìn)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、氨基葡萄糖等。“通過引入代謝工程手段和異源合成途徑，我們獲得的工程酵母成功地將低碳化合物轉(zhuǎn)化為單糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。”深圳先進(jìn)院合成所副研究員湯紅婷說。
除了單糖，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)更高碳含量的二糖的合成。研究團(tuán)隊(duì)通過引入集胞藻的蔗糖合成途徑和強(qiáng)化內(nèi)源代謝流，獲得的工程菌株能高效利用低碳化合物為碳源合成蔗糖。在此基礎(chǔ)上，他們通過表達(dá)蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，實(shí)現(xiàn)蔗糖的分泌生產(chǎn)，其搖瓶產(chǎn)量可達(dá)到每升1.17克，發(fā)酵產(chǎn)量可達(dá)到每升25.41克。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了淀粉的微生物合成。他們通過在酵母細(xì)胞內(nèi)引入兩條淀粉合成途徑和調(diào)控內(nèi)源糖原合成及降解途徑，打通從低碳化合物合成淀粉的路徑，其搖瓶產(chǎn)量可達(dá)到每升341.59毫克。這些研究成果實(shí)現(xiàn)微生物的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”。
該研究提供了以低碳化合物為碳源高效生產(chǎn)高碳化合物的研究方法。在該研究中，工程酵母的蛋白含量幾乎達(dá)到了細(xì)胞干重的50%。未來，該技術(shù)有望以低碳原料實(shí)現(xiàn)糖類衍生物的高效產(chǎn)出，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞蛋白的副產(chǎn)，成為替代人類、動(dòng)物和魚類飲食中的傳統(tǒng)蛋白質(zhì)來源。
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