Science重磅 | 马延和团队突破CO₂人工合成淀粉技术

许多植物将光合作用中的葡萄糖转化为聚合物，形成不溶性淀粉颗粒，非常适合在根和种子中长期储存能量。淀粉是碳水化合物的一种储存形式，是人类饮食中卡路里的主要来源，也是生物工业的主要原料。尽管已经做出许多努力来提高植物中淀粉的产量，但光合作用的低效率和淀粉生物合成的复杂性是障碍。

2021年9月24日，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在Science 在线发表题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”的研究论文，该研究报告了在无细胞系统中从二氧化碳 (CO2) 和氢气合成淀粉的化学-生化混合途径。

人工淀粉合成代谢途径（ASAP）由11个核心反应组成，通过计算途径设计起草，通过模块化组装和替代建立，并通过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行优化。在具有空间和时间分离的化学酶系统中，ASAP 在氢气的驱动下以每毫克总催化剂每分钟 22 纳摩尔 CO2 的速率将 CO2转化为淀粉，比玉米中的淀粉合成速率高约 8.5 倍（理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量）。这种方法为未来从CO2合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。

淀粉是食品和动物饲料的主要热量成分，也是重要的工业原料。淀粉颗粒中的直链淀粉和支链淀粉聚合物由通过 α-1,4- 糖苷键线性连接的葡萄糖残基链组成，在支链淀粉的情况下，散布于 α-1,6- 糖苷键的分支点。绿色植物中的淀粉合成涉及大约 60 个步骤和复杂的调控。

尽管已经做出许多努力来提高植物中淀粉的产量，但光合作用的低效率和淀粉生物合成的复杂性是障碍。相比之下，合成生物学的进步使合成系统的设计和构建能够更有效地固定二氧化碳和化学生产。受光合作用核心原理的启发，人们开发了非凡的化学催化剂，以更有效地从太阳能和水中提供电子或氢 ，从而将 CO2还原为简单的化学品。在这项研究中，使用了一种化学 CO2 还原催化剂，该催化剂产生还原的单碳 (C1) 单元作为无细胞淀粉合成化学酶途径的输入。该研究报告了在无细胞系统中从二氧化碳 ( CO2) 和氢气合成淀粉的化学-生化混合途径。

人工淀粉合成代谢途径（ASAP）由11个核心反应组成，通过计算途径设计起草，通过模块化组装和替代建立，并通过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行优化。在具有空间和时间分离的化学酶系统中，ASAP 在氢气的驱动下以每毫克总催化剂每分钟 22 纳摩尔 CO2 的速率将 CO2转化为淀粉，比玉米中的淀粉合成速率高约 8.5 倍。这种方法为未来从CO2合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。

总之，该研究通过耦合化学催化与生物催化模块体系，创新高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术，通过反应时空分离优化，解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题，扩展人工光合作用的能力。按照目前技术参数，在能量供给充足条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量(按中国玉米淀粉平均亩产量计算)。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟新的技术路线。

版权声明：本文转自“iNature”，文章转载只为学术传播，不代表本号观点，无商业用途，版权归原作者所有，如涉及侵权问题，请联系我们，我们将及时修改或删除。

WOSCI沃斯编辑，耶鲁大学博士团队匠心打造，专注最新科学动态并提供各类科研学术指导，包括：前沿科学新闻、出版信息、期刊解析、SCI论文写作技巧、学术讲座、SCI论文润色等。