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淀粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是重要的工業(yè)原料。目前主要由玉米等作物通過(guò)光合作用固定二氧化碳產(chǎn)生。這個(gè)過(guò)程涉及大約60個(gè)生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。該工藝的理論能量轉(zhuǎn)換效率僅為2%左右。

目前，迫切需要可持續(xù)供應(yīng)淀粉和利用二氧化碳的戰(zhàn)略來(lái)克服人類面臨的重大挑戰(zhàn)，例如糧食危機(jī)和氣候變化。設(shè)計(jì)不依賴于植物光合作用的新途徑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉是一項(xiàng)重要的創(chuàng)新科技任務(wù)，將成為當(dāng)今世界的一項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)。此前，多國(guó)科學(xué)家積極探索，但一直未取得實(shí)質(zhì)性重要突破。

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結(jié)構(gòu)組成一致。實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試顯示，人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國(guó)5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。這條新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植向工業(yè)制造轉(zhuǎn)變成為可能，為從CO2合成復(fù)雜分子開(kāi)辟了新的技術(shù)路線。相關(guān)研究成果以題為“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”發(fā)表于最新一期《Science》上，并被新華社、科技日?qǐng)?bào)爭(zhēng)相報(bào)道。

【方案設(shè)計(jì)】

研究團(tuán)隊(duì)采用了一種類似“搭積木”的方式，利用化學(xué)催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，然后通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通過(guò)生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進(jìn)一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）。

研究團(tuán)隊(duì)利用甲醛酶（fls）從候選C1中間體設(shè)計(jì)和構(gòu)建淀粉合成途徑的酶促部分，使用組合算法從甲酸或甲醇中起草了兩條簡(jiǎn)明的淀粉合成途徑。原則上，淀粉可以通過(guò)CO2與甲酸或甲醇作為C1橋接中間體的九個(gè)核心反應(yīng)來(lái)合成（圖1，內(nèi)圈）。具體來(lái)說(shuō)，C1模塊模塊（用于甲醛生產(chǎn)）、C3模塊（用于3-磷酸d-甘油醛生產(chǎn)）、C6模塊（用于d-葡萄糖6-磷酸生產(chǎn)）和Cn模塊（用于淀粉合成）。但通過(guò)檢索和模擬，作者發(fā)現(xiàn)節(jié)能但在熱力學(xué)上不利的C1模塊產(chǎn)生的甲醛可能無(wú)法為C3a模塊中fls的關(guān)鍵反應(yīng)提供材料。因此，他們構(gòu)建了具有熱力學(xué)上更有利的反應(yīng)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的替代C1模塊。在熱力學(xué)上最有利的C1e模塊成功地與C3a模塊組裝在一起，并從甲醇中獲得了顯著更高的C3化合物產(chǎn)率。在計(jì)算途徑設(shè)計(jì)的幫助下，通過(guò)組裝和替換由來(lái)自31個(gè)生物體的62種酶構(gòu)成的11個(gè)模塊，研究團(tuán)隊(duì)建立了人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）1.0，其中有10個(gè)以甲醇為起始的酶促反應(yīng)（圖1，外圓）。ASAP1.0的主要中間體和目標(biāo)產(chǎn)物通過(guò)同位素13C標(biāo)記實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到，驗(yàn)證了其從甲醇合成淀粉的全部功能。

圖 1. 人造淀粉合成代謝途徑的設(shè)計(jì)和模塊化組裝

【解決瓶頸問(wèn)題，ASAP 1.0進(jìn)階ASAP 2.0】

在建立ASAP 1.0之后，研究團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)解決潛在的瓶頸來(lái)優(yōu)化這條途徑。首先，由于其低動(dòng)力學(xué)活性，酶fls在ASAP 1.0中占總蛋白質(zhì)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(jìn)化增加了fls催化活性，產(chǎn)生了變體fls-M3，其活性提高了4.7倍。圖2B-D表明變體fbp-AR在AMP變構(gòu)位點(diǎn)包含兩個(gè)突變，可減輕ADP抑制并顯著改善DHA的G-6-P產(chǎn)生。三種核苷酸對(duì)fbp和fbp-AR的抑制模式分析表明ATP或ADP是系統(tǒng)抑制的決定因素。通過(guò)將fbp-AR與報(bào)道的對(duì)G-6-P具有抗性的變體整合，組合變體fbp-AGR實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的改進(jìn)。考慮到dak和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(agp)之間的ATP競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)榈孜顳HA及其激酶dak的增加導(dǎo)致前4小時(shí)內(nèi)淀粉產(chǎn)量異常降低（圖2A）。作者證實(shí)DHA和dak的共存通過(guò)Cnb嚴(yán)重抑制了淀粉合成（圖2E）并輸出DHA磷酸鹽（DHAP）作為淀粉的主要產(chǎn)物（圖2F，第一列），這證實(shí)了dak競(jìng)爭(zhēng)性地消耗了大部分ATP。作者沒(méi)有減少dak的用量，而是嘗試增強(qiáng)agp的能力。根據(jù)報(bào)道的氨基酸置換，并且這些變體顯示出與dak的增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)（圖2F）。最好的變體agp-M3成功地將DHA的淀粉合成增加了大約六倍（圖2G）。

通過(guò)使用這三種工程酶（fls-M3、fbp-AGR和agp-M3），研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了ASAP 2.0，它在10小時(shí)內(nèi)從20 mM甲醇中產(chǎn)生了約230 mgl-1直鏈淀粉。與ASAP 1.0相比，ASAP 2.0的淀粉生產(chǎn)率提高了7.6倍。

圖 2. ASAP中瓶頸問(wèn)題的解決

【改善酶促過(guò)程，ASAP 2.0 進(jìn)一步進(jìn)階】

在ASAP 2.0中取得上述成功后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)先前開(kāi)發(fā)的無(wú)機(jī)催化劑ZnO-ZrO2將酶促過(guò)程與CO2還原相結(jié)合，進(jìn)而從CO2和氫氣合成淀粉。由于CO2加氫的不利條件，研究團(tuán)隊(duì)在ASAP 3.0中開(kāi)發(fā)了具有化學(xué)反應(yīng)單元和酶促反應(yīng)單元的化學(xué)酶促級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。為了滿足fls對(duì)高濃度甲醛的需求并避免其對(duì)其他酶的毒性，他們進(jìn)一步用兩個(gè)步驟操作酶促單元（圖3A）。為了從CO2合成支鏈淀粉，研究團(tuán)隊(duì)在ASAP 3.1中引入了來(lái)自創(chuàng)傷弧菌的淀粉分支酶(sbe)。該設(shè)置在4小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生了約1.3 gL-1支鏈淀粉（圖3A）。合成支鏈淀粉在碘處理后呈紅棕色，吸收最大值與標(biāo)準(zhǔn)支鏈淀粉相當(dāng)（圖3B）。合成的直鏈淀粉和支鏈淀粉都表現(xiàn)出與其標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)物相同的1到6個(gè)質(zhì)子核磁共振信號(hào)（圖3C、3D）。

圖 3. 通過(guò)ASAP從CO2合成淀粉

【總結(jié)】

本文通訊作者馬延和研究員表示，該成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開(kāi)了一扇窗，如果未來(lái)該系統(tǒng)過(guò)程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，將會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì)?！犊茖W(xué)》雜志新聞部執(zhí)行主任梅根·菲蘭認(rèn)為，該研究成果將為我們未來(lái)通過(guò)工業(yè)生物制造生產(chǎn)淀粉這種全球性重要物質(zhì)提供新的技術(shù)路線；中科院院士趙國(guó)屏表示，這是一項(xiàng)具有“頂天立地”重大意義的科研成果；德國(guó)科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茲稱，本項(xiàng)工作將該領(lǐng)域的研究向前推進(jìn)了一大步。