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Science重磅:我国科学家突破CO₂人工合成淀粉技术!

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淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,也是重要的工业原料。目前主要由玉米等作物通过光合作用固定二氧化碳产生。这个过程涉及大约60个生化反应以及复杂的生理调控。该工艺的理论能量转换效率仅为2%左右。

目前,迫切需要可持续供应淀粉和利用二氧化碳的战略来克服人类面临的重大挑战,例如粮食危机和气候变化。设计不依赖于植物光合作用的新途径将二氧化碳转化为淀粉是一项重要的创新科技任务,将成为当今世界的一项重大颠覆性技术。此前,多国科学家积极探索,但一直未取得实质性重要突破。

中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。实验室初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能,为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。相关研究成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表于最新一期《Science》上,并被新华社、科技日报争相报道。


【方案设计】

研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。

研究团队利用甲醛酶(fls)从候选C1中间体设计和构建淀粉合成途径的酶促部分,使用组合算法从甲酸或甲醇中起草了两条简明的淀粉合成途径。原则上,淀粉可以通过CO2与甲酸或甲醇作为C1桥接中间体的九个核心反应来合成(图1,内圈)。具体来说,C1模块模块(用于甲醛生产)、C3模块(用于3-磷酸d-甘油醛生产)、C6模块(用于d-葡萄糖6-磷酸生产)和Cn模块(用于淀粉合成)。但通过检索和模拟,作者发现节能但在热力学上不利的C1模块产生的甲醛可能无法为C3a模块中fls的关键反应提供材料。因此,他们构建了具有热力学上更有利的反应级联反应的替代C1模块。在热力学上最有利的C1e模块成功地与C3a模块组装在一起,并从甲醇中获得了显着更高的C3化合物产率。在计算途径设计的帮助下,通过组装和替换由来自31个生物体的62种酶构成的11个模块,研究团队建立了人工淀粉合成代谢途径(ASAP)1.0,其中有10个以甲醇为起始的酶促反应(图1,外圆)。ASAP1.0的主要中间体和目标产物通过同位素13C标记实验检测到,验证了其从甲醇合成淀粉的全部功能。


图 1. 人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

【解决瓶颈问题,ASAP 1.0进阶ASAP 2.0】

在建立ASAP 1.0之后,研究团队试图通过解决潜在的瓶颈来优化这条途径。首先,由于其低动力学活性,酶fls在ASAP 1.0中占总蛋白质剂量的约86%,以维持代谢通量并将有毒甲醛保持在非常低的水平。定向进化增加了fls催化活性,产生了变体fls-M3,其活性提高了4.7倍。图2B-D表明变体fbp-AR在AMP变构位点包含两个突变,可减轻ADP抑制并显着改善DHA的G-6-P产生。三种核苷酸对fbp和fbp-AR的抑制模式分析表明ATP或ADP是系统抑制的决定因素。通过将fbp-AR与报道的对G-6-P具有抗性的变体整合,组合变体fbp-AGR实现了进一步的改进。考虑到dak和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(agp)之间的ATP竞争,因为底物DHA及其激酶dak的增加导致前4小时内淀粉产量异常降低(图2A)。作者证实DHA和dak的共存通过Cnb严重抑制了淀粉合成(图2E)并输出DHA磷酸盐(DHAP)作为淀粉的主要产物(图2F,第一列),这证实了dak竞争性地消耗了大部分ATP。作者没有减少dak的用量,而是尝试增强agp的能力。根据报道的氨基酸置换,并且这些变体显示出与dak的增强竞争(图2F)。最好的变体agp-M3成功地将DHA的淀粉合成增加了大约六倍(图2G)。

通过使用这三种工程酶(fls-M3、fbp-AGR和agp-M3),研究团队构建了ASAP 2.0,它在10小时内从20 mM甲醇中产生了约230 mgl -1直链淀粉。与ASAP 1.0相比,ASAP 2.0的淀粉生产率提高了7.6倍


图 2. ASAP中瓶颈问题的解决

【改善酶促过程,ASAP 2.0 进一步进阶】

在ASAP 2.0中取得上述成功后,研究团队通过先前开发的无机催化剂ZnO-ZrO 2将酶促过程与CO 2还原相结合,进而从CO 2和氢气合成淀粉。由于CO2加氢的不利条件,研究团队在ASAP 3.0中开发了具有化学反应单元和酶促反应单元的化学酶促级联系统。为了满足fls对高浓度甲醛的需求并避免其对其他酶的毒性,他们进一步用两个步骤操作酶促单元(图3A)。为了从CO 2合成支链淀粉,研究团队在ASAP 3.1中引入了来自创伤弧菌的淀粉分支酶(sbe)。该设置在4小时内产生了约1.3 gL -1支链淀粉(图3A)。合成支链淀粉在碘处理后呈红棕色,吸收最大值与标准支链淀粉相当(图3B)。合成的直链淀粉和支链淀粉都表现出与其标准对应物相同的1到6个质子核磁共振信号(图3C、3D)。


图 3. 通过ASAP从CO2合成淀粉

【总结】

本文通讯作者马延和研究员表示,该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗,如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续的生物基社会。《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为,该研究成果将为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线;中科院院士赵国屏表示,这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果;德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹称,本项工作将该领域的研究向前推进了一大步。

【作者介绍】


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。

全文链接:

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

来源:高分子科学前沿

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