中科院天津工业生物技术研究所Science：人工合成淀粉实现零突破

背景介绍

淀粉是食品和动物饲料的主要热能成分，也是重要的工业原料。植物中淀粉合成涉及约60个步骤和复杂的调控过程。理论能量转化效率较低（约2%）。虽然人们在提高植物淀粉的产量方面做了许多努力，但光合作用的低效性和淀粉生物合成的复杂性成为主要的障碍。相比之下，合成生物学的进步使得大量合成淀粉成为可能。

成果简介

近日，中科院天津工业生物技术研究所马延和团队以二氧化碳和氢作为原料，采用一种类似“搭积木”的原理，通过耦合、化学催化和生物催化模块体系，通过11步反应实现了二氧化碳到淀粉的转化。在化学酶系统中，人工淀粉合成途径（ASAP）在氢的驱动下，二氧化碳会以每分钟22 nM的速度转化为淀粉，比玉米中合成淀粉的速度高约8.5倍。这一途径为今后利用CO₂合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。相关成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表在了Science上。

图文解析

一、人工淀粉合成途径的设计原理与模块化组装。

本工作采用一种类似“搭积木”的方式，通过模块化组装和替换的策略，利用化学催化剂将高浓度CO₂在高密度氢能环境下还原为一碳（C1）化合物；然后根据化学聚糖反应原理设计了碳一聚合新酶，将一碳化合物聚合成三碳（C3）化合物；最后通过优化生物途径，将三碳化合物聚合成六碳（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物），共计11步反应实现了二氧化碳到淀粉的转化。与此同时，本工作还通过对31个生物体的62种酶的11个模块进行组装和替换，建立了以甲醇为起始原料的10个酶促反应的人工淀粉合成途径(ASAP) 1.0。通过同位素¹³C标记实验检测ASAP 1.0的主要中间体和目标产物，验证其对甲醇合成淀粉的全部功能。

图1. 人工淀粉合成途径的设计和模块组装

二、ASAP的主要瓶颈。

在建立ASAP 1.0之后，本工作试图通过解决潜在的瓶颈来优化该途径。首先，由于其动力学活性较低，在ASAP 1.0中酶fls占总蛋白质剂量的约86%，以维持代谢通量并将有毒甲醛保持在非常低的水平。定向进化增加了fls催化活性，产生了变体fls-M3，其活性提高了4.7倍，且以二羟基丙酮(DHA)为主。尽管ATP和ADP在再生系统的协助下维持在1mM的低水平，但ATP和ADP仍可能部分抑制大肠杆菌fbp的功能，而5′-单磷酸腺苷具有促排作用。作者发现含有AMP变构位点2个突变的变异体fbp-A^R缓解了ADP抑制，大幅提高了DHA的G-6-P产量。三种核苷酸对fbp和fbp-A^R的抑制模式分析表明ATP或ADP是系统抑制的决定因素。通过将fbp-A^R与报道的对G-6-P具有抗性的变体整合，组合变体fbp-AG^R实现了进一步的改进。本工作利用这3种工程酶( fls-M3、fbp-AGR和agp-M3 )构建ASAP 2.0，该酶在20 m甲醇中10 h内产生~ 230 mg L-1直链淀粉。与ASAP 1.0相比，ASAP 2.0的淀粉生产率提高了7.6倍。

图2. ASAP中的主要瓶颈的解决

三、由CO₂经ASAP合成淀粉。

由于二氧化碳加氢的不利条件，本工作在ASAP 3.0中开发了具有化学反应单元和酶催化反应单元的化学酶级联系统。为了满足fls对高浓度甲醛的需求，并避免甲醛对其他酶的毒性，本工作进一步对酶单元进行了两步操作。在化学反应单元中，CO₂以~ 0.25 g h^-1g^-1催化剂的速率化学加氢生成甲醇，生成的甲醇在第一个小时内不断冷凝并通入酶单元最终浓度~ 100 mM。在酶单元中，先补充2种核心酶和辅助过氧化氢酶(cat)，使甲醇再转化为~ 22.5 mM C3中间DHA，再补充其余8种核心酶和辅助组分，在随后2 h转化为~1.6克升直链淀粉。在碘溶液存在下，合成的直链淀粉具有与标准直链淀粉相同的深蓝色颜色和最大吸收值。合成的支链淀粉呈红棕色，碘处理后的吸收峰与标准支链淀粉相当。合成的直链淀粉和支链淀粉的表现出与标准样品相同的1~6个质子核磁共振信号。通过空间和时间分步分离，ASAP 3.0在CO₂浓度为410 mg L^-1h^-1的条件下获得了较高的淀粉产率。该化学酶途径的淀粉合成速率达到总催化剂和蛋白质的22 nmol min^-1mg^-1，比玉米中合成淀粉的速度高约8.5倍。ASAP 以无细胞、化学酶促和高效的方式从CO₂合成淀粉，为淀粉的工业生物制造等应用提供了重要的起点。

图3. 通过ASAP从CO₂快速合成淀粉

结论与展望：

总的来说，本工作仅通过简单的11步反应实现了二氧化碳到淀粉的转化。该研究成果创新了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，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制等问题，扩展了人工光合作用的能力，为从二氧化碳到淀粉的工业化提高了方向。如果进一步解决其成本问题，将有机会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境带来的负面影响，促进碳中和目标的达成。

第一作者：蔡韬

通讯作者：马延和

通讯单位：中科院天津工业生物技术研究所

论文doi：

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

本文由温华供稿。