二氧化碳制备糖类衍生物取得突破实现微生物的“农业生产”

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所于涛课题组利用合成生物学和代谢工程手段开发的酵母细胞平台，将甲醇、乙醇、异丙醇等低碳化合物，转化为糖及糖衍生物，包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。该研究将二氧化碳合成的低碳化合物作为发酵原料，为微生物可持续生产食品及化学品提供了一种具有无限潜能的方式。相关研究成果12月5日发表于《自然—催化》。

　　二氧化碳排放造成的全球气候变化和环境问题严重影响了全球经济和环境可持续发展。因此，开发一种经济可行且不占用耕地就能将二氧化碳转变成糖衍生食品和化学品的技术备受瞩目。在过去几十年里，二氧化碳通过热化学、电化学、光化学等耦合策略转化为简单的低碳化合物已经取得了进展。然而，通过这些平台生产复杂的化合物是极其困难的。

　　为了解决上述问题，研究团队首先通过分析酵母对不同低碳化合物的利用情况，拓展了微生物细胞工厂的碳源范围。“我们扩大了可利用的低碳原料谱。除了乙醇之外，酿酒酵母可将乙二醇、异丙醇、丙酸和甘油作为碳源用于细胞生长和葡萄糖生产。”于涛介绍说，研究团队通过碳源的混合使用以及比例调控，进一步促进了酵母细胞生长，提高了葡萄糖产量。

　　在此基础上，研究团队以乙醇、甲醇、异丙醇和甘油为碳源，进一步拓展了碳水化合物的多样性，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成功地将低碳化合物转化为单糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。”深圳先进院合成所副研究员汤红婷说。

　　除了单糖，研究团队还实现更高碳含量的二糖的合成。研究团队通过引入集胞藻的蔗糖合成途径和强化内源代谢流，获得的工程菌株能高效利用低碳化合物为碳源合成蔗糖。在此基础上，他们通过表达蔗糖转运蛋白，实现蔗糖的分泌生产，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。

　　此外，研究团队还实现了淀粉的微生物合成。他们通过在酵母细胞内引入两条淀粉合成途径和调控内源糖原合成及降解途径，打通从低碳化合物合成淀粉的路径，其摇瓶产量可达到每升341.59毫克。这些研究成果实现微生物的“农业生产”。

　　该研究提供了以低碳化合物为碳源高效生产高碳化合物的研究方法。在该研究中，工程酵母的蛋白含量几乎达到了细胞干重的50%。未来，该技术有望以低碳原料实现糖类衍生物的高效产出，同时还能实现单细胞蛋白的副产，成为替代人类、动物和鱼类饮食中的传统蛋白质来源。