12月5日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所(以下簡稱“合成所”)于濤課題組與Jay D. Keasling課題組合作，在Nature Catalysis發(fā)表了題為Metabolic engineering of carbohydrate-derived foods and chemicals production in yeast的研究成果。二氧化碳合成的低碳化合物C1-3作為發(fā)酵原料，為微生物可持續(xù)生產(chǎn)食品及化學品提供了一種具有無限潛能的方式。該研究利用合成生物學和代謝工程手段開發(fā)的酵母細胞平臺，能將低碳化合物例如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉化為糖及糖衍生物，包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。通過代謝重構和葡萄糖抑制調(diào)控，使葡萄糖和蔗糖的產(chǎn)量達到每升數(shù)十克。這項研究有助于豐富基于可再生能源驅動的農(nóng)業(yè)新范式。Jay D. Keasling實驗室副研究員湯紅婷、于濤實驗室研究助理吳良煥和助理研究員郭姝媛為該論文的共同第一作者， 美國加州大學伯克利分校教授Jay D. Keasling和深圳先進院研究員于濤為該論文的共同通訊作者。
農(nóng)業(yè)為社會提供食物和許多原材料，但目前面臨著巨大的挑戰(zhàn)。預計到2050年，全球人口將增長到近90-110億人，全球對食物的需求將增加70%。受到有限的可耕地和不斷加劇的氣候變化威脅，農(nóng)業(yè)將幾乎不可能滿足日益增長的需求。此外，隨著人類活動加劇，大量二氧化碳排放造成的全球氣候變化和環(huán)境問題嚴重影響了全球經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)一種經(jīng)濟可行且不占用可耕地就能將CO2轉變成糖衍生食品和化學品的技術備受矚目。
于濤課題組致力于利用合成生物學方法，解決可持續(xù)制造、綠色能源的生物存儲與糧食安全等重大問題。在過去幾十年里，大氣中的CO2通過熱化學、電化學、光化學、生化方以及一些耦合策略轉化為簡單的低碳化合物（C1-3）已經(jīng)取得了巨大進展。然而，通過這些平臺生產(chǎn)復雜的化合物是極其困難的。而以這些平臺合成的低碳化合物為底物，可通過微生物細胞工廠轉化生產(chǎn)高碳化合物。于濤課題組的前期工作（Nature Catalysis, 2022，https://mp.weixin.qq.com/s/qTTRuVuwQytCG379Ybe8SQ ）表明，通過電化學偶聯(lián)微生物細胞工廠，成功實現(xiàn)了將CO2變成葡萄糖和脂肪酸（“空氣變糧油”），這為將CO2可持續(xù)轉變成糖衍生食品和化學品提供了一種可行的、高效的方法，其具有更低的成本、更快的速度和更高的生產(chǎn)能力，該成果入選2022年由兩院院士評選出的“中國十大科技進展新聞”。隨后，于濤課題組又成功的在酵母細胞內(nèi)構建了一個合成能量系統(tǒng)（細胞“雙引擎”設計），可以支持細胞生長并助力脂肪酸高效合成（Nature Metabolism, 2022, https://mp.weixin.qq.com/s/blgy-XiWRv1EAIn_wVVYZg） 。
在本研究中，研究團隊首先通過分析酵母對不同低碳化合物的利用情況，拓展了微生物細胞工廠的碳源范圍。除了乙醇，釀酒酵母可利用乙二醇（C2）、異丙醇（C3）、丙酸（C3）和甘油為碳源進行細胞生長和葡萄糖生產(chǎn)。進而，通過碳源的混合使用以及比例調(diào)控，進一步的提高了細胞生長和葡萄糖產(chǎn)量。通過工程畢赤酵母，能夠將甲醇（C1）高效的轉化為葡萄糖，其搖瓶產(chǎn)量可達到1.08 g/L, 發(fā)酵罐產(chǎn)量達到了13.41 g/L。
進而，研究團隊以乙醇、甲醇、異丙醇和甘油為碳源，進一步拓展了碳水化合物的多樣性，包括五碳糖木糖、木糖醇，六碳糖化合物肌醇、氨基葡萄糖，二糖化合物蔗糖和多糖化合物淀粉。通過代謝工程手段和異源合成途徑的進入，獲得工程酵母能成功的將低碳化合物轉化為單糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。其中肌醇和氨基葡萄糖的最高搖瓶產(chǎn)量分別達到了228.71mg/L和69.99 mg/L。除了單糖，研究人員還實現(xiàn)更高碳含量的二糖的合成。在該研究中，通過引入集胞藻的蔗糖合成途徑和強化內(nèi)源代謝流，獲得的工程菌株能高效的利用低碳化合物為碳源合成蔗糖，在此基礎上，通過表達蔗糖轉運蛋白，實現(xiàn)了蔗糖的分泌生產(chǎn)，其搖瓶產(chǎn)量可達到1.17g/L，發(fā)酵產(chǎn)量可達到25.41 g/L。更令人興奮的是，研究人員實現(xiàn)了我們生活中方方面面都涉及到的淀粉的微生物合成，其重要性不言而喻。該研究通過引入兩條淀粉合成途徑和調(diào)控內(nèi)源糖原合成及降解途徑，打通了從低碳化合物合成淀粉的合成路徑，其搖瓶產(chǎn)量可達到341.59mg/L。這些研究成果實現(xiàn)微生物的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”。
最后，該研究還提供了以低碳化合物為碳源高效生產(chǎn)高碳化合物的研究方法。雖然合成這些化合物需要引進外源途徑，但其中樞代謝皆為糖異生途徑。為了有效的提高葡萄糖及其衍生物的產(chǎn)量，研究人員以葡萄糖為研究案例，通過基因過表達和調(diào)控葡萄糖抑制效應等手段強化糖異生途徑來提高葡萄糖產(chǎn)量。研究結果表明，調(diào)控葡萄糖抑制效應能夠有效的提高葡萄糖的產(chǎn)量，提高幅度近一倍。這不僅為葡萄糖及其衍生物的產(chǎn)量提高提供示例，該研究構建的葡萄糖合成菌株也為進一步研究葡萄糖抑制效應提供了平臺。
糖類，脂肪酸，蛋白質是人類三大基本營養(yǎng)物質。近些年，單細胞蛋白逐漸成為蛋白質的重要來源與研究熱點。在該研究中，工程酵母的蛋白含量約達到了細胞干重的50%，未來該技術有望以低碳原料實現(xiàn)糖類糧食化合物的高效產(chǎn)出，同時還能實現(xiàn)單細胞蛋白的副產(chǎn)。
近日，圍繞國家雙碳和糧食安全戰(zhàn)略，由中國科學院深圳先進技術研究院與中海石油化學股份有限公司共同組建的“碳中和與糧食安全交叉創(chuàng)新聯(lián)合實驗室”在北京正式揭牌成立（https://mp.weixin.qq.com/s/VofwH2yeNFFOM1bhJzkZ7A）。于濤課題組將在聯(lián)合實驗室資金支持下繼續(xù)推進該方向的相關課題研究。
該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目(2020YFA0907800和2021YFA0911000)，招商局集團，國家自然科學基金項目(32071416)中國科學院戰(zhàn)略重點研究計劃(XDB0480000)，廣東省綠色生物制造重點專項(2022B1111080005)，深圳市微生物藥物智能制造重點實驗室(ZDSYS20210623091810032)，中海石油化學股份有限公司與深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的資金支持。也得到了深圳合成生物研究重大科技基礎設施提供的儀器支持和質粒構建的技術幫助以及深圳先進技術研究院質譜基礎設施提供的代謝物分析幫助。此外，中國科學技術大學教授曾杰、華南理工大學教授黃明濤、深圳先進院研究員羅小舟提供了實驗材料和論文寫作上的幫助。
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