研究人员将低碳原料高效转化为糖类衍生物

本文转自：科技日报

图为酵母菌示意图。视觉中国供图

科技日报讯 （记者罗云鹏 通讯员 赵梓杉）继将二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸之后，日前，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）研究团队在人工合成糖类衍生物领域取得又一重要突破。该院合成生物学研究所研究员于涛团队与客座研究员杰·基斯林团队，利用合成生物学和代谢工程手段开发的酵母细胞平台，将二氧化碳衍生的甲醇、乙醇、异丙醇等低碳化合物，转化为葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉等糖及糖类衍生物。相关研究成果发表于《自然·催化》。

在这项研究中，团队首先通过分析酵母对不同低碳化合物的利用情况，构建了碳源范围更广的酵母工厂。“也就是说，我们拓宽了可利用的低碳原料谱。除了乙醇之外，酿酒酵母还能以乙二醇、异丙醇、丙酸和甘油为碳源，进行葡萄糖生产。”于涛说。

通过碳源的混合使用以及比例调控，研究团队进一步提高工程酵母细胞的生长效率，使其能将甲醇高效转化为葡萄糖。利用这种方式，葡萄糖摇瓶产量可达每升1.08克，发酵罐产量可达每升13.41克。

“通过引入代谢工程手段和异源合成途径，我们获得的工程酵母能成功将低碳化合物转化为单糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。其中，肌醇和氨基葡萄糖的最高摇瓶产量分别达到了每升228.71毫克和每升69.99毫克。”深圳先进院合成生物学研究所副研究员汤红婷说。

除单糖外，研究人员还实现了更高碳含量的二糖的合成。在该研究中，团队通过引入集胞藻的蔗糖合成途径和强化内源代谢流，获得了能高效利用低碳化合物合成蔗糖的工程菌株。在此基础上，团队实现了蔗糖的生产，其摇瓶产量可达到每升1.17克，发酵产量可达到每升25.41克。

为了实现酵母工厂能“吃”多产，研究人员以葡萄糖为研究案例，在酿酒酵母中通过基因过表达和调控葡萄糖抑制效应等手段，强化糖异生途径来提高葡萄糖产量。研究结果表明，调控葡萄糖抑制效应，能够有效将葡萄糖的产量提高近一倍，摇瓶产量可达到每升4.27克，发酵罐产量为每升18.28克。这不仅为葡萄糖及其衍生物的产量提高提供了新方法，研究中构建的葡萄糖合成菌株也为进一步研究葡萄糖抑制效应提供了平台。

单细胞蛋白具有高水平的必需氨基酸，是食用和饲用蛋白的潜在替代品。近些年，单细胞蛋白的相关研究成为人们关注的热点。在该研究中，研究团队构建的工程酵母的蛋白含量约达到细胞干重的50%。未来该技术除了有望以低碳原料实现糖及糖类衍生物的高效产出，还能实现单细胞蛋白的产出。

该研究利用新一代生物制造技术构建微生物细胞工厂，将二氧化碳衍生的甲醇等低碳化合物转化为更高价值的糖及糖类衍生物，有助于丰富基于可再生能源驱动的农业新范式，促进“双碳”目标的实现。于涛表示：“未来我们希望能够利用研究成果，进一步推动二氧化碳的绿色转化与利用实现链条式、规模化，让糖及糖类衍生物的产量能够达到工业化应用级别。”