中科院天津工業生物技術研究所Science：人工合成淀粉實現零突破

背景介紹

淀粉是食品和動物飼料的主要熱能成分，也是重要的工業原料。植物中淀粉合成涉及約60個步驟和復雜的調控過程。理論能量轉化效率較低（約2%）。雖然人們在提高植物淀粉的產量方面做了許多努力，但光合作用的低效性和淀粉生物合成的復雜性成為主要的障礙。相比之下，合成生物學的進步使得大量合成淀粉成為可能。

成果簡介

近日，中科院天津工業生物技術研究所馬延和團隊以二氧化碳和氫作為原料，采用一種類似“搭積木”的原理，通過耦合、化學催化和生物催化模塊體系，通過11步反應實現了二氧化碳到淀粉的轉化。在化學酶系統中，人工淀粉合成途徑（ASAP）在氫的驅動下，二氧化碳會以每分鐘22 nM的速度轉化為淀粉，比玉米中合成淀粉的速度高約8.5倍。這一途徑為今后利用CO₂合成化學-生物雜化淀粉開辟了道路。相關成果以題為“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”發表在了Science上。

圖文解析

一、人工淀粉合成途徑的設計原理與模塊化組裝。

本工作采用一種類似“搭積木”的方式，通過模塊化組裝和替換的策略，利用化學催化劑將高濃度CO₂在高密度氫能環境下還原為一碳（C1）化合物；然后根據化學聚糖反應原理設計了碳一聚合新酶，將一碳化合物聚合成三碳（C3）化合物；最后通過優化生物途徑，將三碳化合物聚合成六碳（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物），共計11步反應實現了二氧化碳到淀粉的轉化。與此同時，本工作還通過對31個生物體的62種酶的11個模塊進行組裝和替換，建立了以甲醇為起始原料的10個酶促反應的人工淀粉合成途徑(ASAP) 1.0。通過同位素¹³C標記實驗檢測ASAP 1.0的主要中間體和目標產物，驗證其對甲醇合成淀粉的全部功能。

圖1. 人工淀粉合成途徑的設計和模塊組裝

二、ASAP的主要瓶頸。

在建立ASAP 1.0之后，本工作試圖通過解決潛在的瓶頸來優化該途徑。首先，由于其動力學活性較低，在ASAP 1.0中酶fls占總蛋白質劑量的約86%，以維持代謝通量并將有毒甲醛保持在非常低的水平。定向進化增加了fls催化活性，產生了變體fls-M3，其活性提高了4.7倍，且以二羥基丙酮(DHA)為主。盡管ATP和ADP在再生系統的協助下維持在1mM的低水平，但ATP和ADP仍可能部分抑制大腸桿菌fbp的功能，而5′-單磷酸腺苷具有促排作用。作者發現含有AMP變構位點2個突變的變異體fbp-A^R緩解了ADP抑制，大幅提高了DHA的G-6-P產量。三種核苷酸對fbp和fbp-A^R的抑制模式分析表明ATP或ADP是系統抑制的決定因素。通過將fbp-A^R與報道的對G-6-P具有抗性的變體整合，組合變體fbp-AG^R實現了進一步的改進。本工作利用這3種工程酶( fls-M3、fbp-AGR和agp-M3 )構建ASAP 2.0，該酶在20 m甲醇中10 h內產生~ 230 mg L-1直鏈淀粉。與ASAP 1.0相比，ASAP 2.0的淀粉生產率提高了7.6倍。

圖2. ASAP中的主要瓶頸的解決

三、由CO₂經ASAP合成淀粉。

由于二氧化碳加氫的不利條件，本工作在ASAP 3.0中開發了具有化學反應單元和酶催化反應單元的化學酶級聯系統。為了滿足fls對高濃度甲醛的需求，并避免甲醛對其他酶的毒性，本工作進一步對酶單元進行了兩步操作。在化學反應單元中，CO₂以~ 0.25 g h^-1g^-1催化劑的速率化學加氫生成甲醇，生成的甲醇在第一個小時內不斷冷凝并通入酶單元最終濃度~ 100 mM。在酶單元中，先補充2種核心酶和輔助過氧化氫酶(cat)，使甲醇再轉化為~ 22.5 mM C3中間DHA，再補充其余8種核心酶和輔助組分，在隨后2 h轉化為~1.6克升直鏈淀粉。在碘溶液存在下，合成的直鏈淀粉具有與標準直鏈淀粉相同的深藍色顏色和最大吸收值。合成的支鏈淀粉呈紅棕色，碘處理后的吸收峰與標準支鏈淀粉相當。合成的直鏈淀粉和支鏈淀粉的表現出與標準樣品相同的1~6個質子核磁共振信號。通過空間和時間分步分離，ASAP 3.0在CO₂濃度為410 mg L^-1h^-1的條件下獲得了較高的淀粉產率。該化學酶途徑的淀粉合成速率達到總催化劑和蛋白質的22 nmol min^-1mg^-1，比玉米中合成淀粉的速度高約8.5倍。ASAP 以無細胞、化學酶促和高效的方式從CO₂合成淀粉，為淀粉的工業生物制造等應用提供了重要的起點。

圖3. 通過ASAP從CO₂快速合成淀粉

結論與展望：

總的來說，本工作僅通過簡單的11步反應實現了二氧化碳到淀粉的轉化。該研究成果創新了高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過程技術，通過反應時空分離優化，解決了人工途徑中底物競爭、產物抑制等問題，擴展了人工光合作用的能力，為從二氧化碳到淀粉的工業化提高了方向。如果進一步解決其成本問題，將有機會節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境帶來的負面影響，促進碳中和目標的達成。

第一作者：蔡韜

通訊作者：馬延和

通訊單位：中科院天津工業生物技術研究所

論文doi：

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

本文由溫華供稿。