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二氧化碳制備糖類衍生物取得突破實現微生物的“農業生產”
文章來源:中國化工報      更新時間:2023-12-12 15:14:57
        中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所于濤課題組利用合成生物學和代謝工程手段開發的酵母細胞平臺,將甲醇、乙醇、異丙醇等低碳化合物,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。該研究將二氧化碳合成的低碳化合物作為發酵原料,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方式。相關研究成果12月5日發表于《自然—催化》。
 
  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耕地就能將二氧化碳轉變成糖衍生食品和化學品的技術備受矚目。在過去幾十年里,二氧化碳通過熱化學、電化學、光化學等耦合策略轉化為簡單的低碳化合物已經取得了進展。然而,通過這些平臺生產復雜的化合物是極其困難的。
 
  為了解決上述問題,研究團隊首先通過分析酵母對不同低碳化合物的利用情況,拓展了微生物細胞工廠的碳源范圍。“我們擴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胞生長和葡萄糖生產。”于濤介紹說,研究團隊通過碳源的混合使用以及比例調控,進一步促進了酵母細胞生長,提高了葡萄糖產量。
 
  在此基礎上,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化為單糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。”深圳先進院合成所副研究員湯紅婷說。
 
  除了單糖,研究團隊還實現更高碳含量的二糖的合成。研究團隊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利用低碳化合物為碳源合成蔗糖。在此基礎上,他們通過表達蔗糖轉運蛋白,實現蔗糖的分泌生產,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。
 
  此外,研究團隊還實現了淀粉的微生物合成。他們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,打通從低碳化合物合成淀粉的路徑,其搖瓶產量可達到每升341.59毫克。這些研究成果實現微生物的“農業生產”。
 
  該研究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。在該研究中,工程酵母的蛋白含量幾乎達到了細胞干重的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,成為替代人類、動物和魚類飲食中的傳統蛋白質來源。
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