12月5日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)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C_1-3作為發(fā)酵原料，為微生物可持續(xù)生產(chǎn)食品及化學(xué)品提供了一種具有無(wú)限潛能的方式。該研究利用合成生物學(xué)和代謝工程手段開(kāi)發(fā)的酵母細(xì)胞平臺(tái)，能將低碳化合物例如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉(zhuǎn)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(guò)代謝重構(gòu)和葡萄糖抑制調(diào)控，使葡萄糖和蔗糖的產(chǎn)量達(dá)到每升數(shù)十克。這項(xiàng)研究有助于豐富基于可再生能源驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)新范式。Jay D. Keasling實(shí)驗(yàn)室副研究員湯紅婷、于濤實(shí)驗(yàn)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(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授Jay D. Keasling和深圳先進(jìn)院研究員于濤為該論文的共同通訊作者。 

　　農(nóng)業(yè)為社會(huì)提供食物和許多原材料，但目前面臨著巨大的挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)到2050年，全球人口將增長(zhǎng)到近90-110億人，全球?qū)κ澄锏男枨髮⒃黾?0%。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(zhǎng)的需求。此外，隨著人類活動(dòng)加劇，大量二氧化碳排放造成的全球氣候變化和環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重影響了全球經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)可行且不占用可耕地就能將CO₂轉(zhuǎn)變成糖衍生食品和化學(xué)品的技術(shù)備受矚目。 

　　于濤課題組致力于利用合成生物學(xué)方法，解決可持續(xù)制造、綠色能源的生物存儲(chǔ)與糧食安全等重大問(wèn)題。在過(guò)去幾十年里，大氣中的CO₂通過(guò)熱化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、生化方以及一些耦合策略轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的低碳化合物（C_1-3）已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。然而，通過(guò)這些平臺(tái)生產(chǎn)復(fù)雜的化合物是極其困難的。而以這些平臺(tái)合成的低碳化合物為底物，可通過(guò)微生物細(xì)胞工廠轉(zhuǎn)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(guò)電化學(xué)偶聯(lián)微生物細(xì)胞工廠，成功實(shí)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(zhuǎn)變成糖衍生食品和化學(xué)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(píng)選出的“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。隨后，于濤課題組又成功的在酵母細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)合成能量系統(tǒng)（細(xì)胞“雙引擎”設(shè)計(jì)），可以支持細(xì)胞生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)首先通過(guò)分析酵母對(duì)不同低碳化合物的利用情況，拓展了微生物細(xì)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(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)和葡萄糖生產(chǎn)。進(jìn)而，通過(guò)碳源的混合使用以及比例調(diào)控，進(jìn)一步的提高了細(xì)胞生長(zhǎng)和葡萄糖產(chǎn)量。通過(guò)工程畢赤酵母，能夠?qū)⒓状迹?/span>C1）高效的轉(zhuǎn)化為葡萄糖，其搖瓶產(chǎn)量可達(dá)到1.08 g/L, 發(fā)酵罐產(chǎn)量達(dá)到了13.41 g/L。 

　　進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)以乙醇、甲醇、異丙醇和甘油為碳源，進(jìn)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(guò)代謝工程手段和異源合成途徑的進(jìn)入，獲得工程酵母能成功的將低碳化合物轉(zhuǎn)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(dá)到了228.71mg/L和69.99 mg/L。除了單糖，研究人員還實(shí)現(xiàn)更高碳含量的二糖的合成。在該研究中，通過(guò)引入集胞藻的蔗糖合成途徑和強(qiáng)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(chǔ)上，通過(guò)表達(dá)蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，實(shí)現(xiàn)了蔗糖的分泌生產(chǎn)，其搖瓶產(chǎn)量可達(dá)到1.17g/L，發(fā)酵產(chǎn)量可達(dá)到25.41 g/L。更令人興奮的是，研究人員實(shí)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(guò)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(dá)到341.59mg/L。這些研究成果實(shí)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(jìn)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(guò)基因過(guò)表達(dá)和調(diào)控葡萄糖抑制效應(yīng)等手段強(qiáng)化糖異生途徑來(lái)提高葡萄糖產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，調(diào)控葡萄糖抑制效應(yīng)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(gòu)建的葡萄糖合成菌株也為進(jìn)一步研究葡萄糖抑制效應(yīng)提供了平臺(tái)。 

　　糖類，脂肪酸，蛋白質(zhì)是人類三大基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。近些年，單細(xì)胞蛋白逐漸成為蛋白質(zhì)的重要來(lái)源與研究熱點(diǎn)。在該研究中，工程酵母的蛋白含量約達(dá)到了細(xì)胞干重的50%，未來(lái)該技術(shù)有望以低碳原料實(shí)現(xiàn)糖類糧食化合物的高效產(chǎn)出，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞蛋白的副產(chǎn)。 

　　近日，圍繞國(guó)家雙碳和糧食安全戰(zhàn)略，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與中海石油化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室資金支持下繼續(xù)推進(jìn)該方向的相關(guān)課題研究。 

　　該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFA0907800和2021YFA0911000)，招商局集團(tuán)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32071416)中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃(XDB0480000)，廣東省綠色生物制造重點(diǎn)專項(xiàng)(2022B1111080005)，深圳市微生物藥物智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(ZDSYS20210623091810032)，中海石油化學(xué)股份有限公司與深圳合成生物學(xué)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(chǔ)設(shè)施提供的儀器支持和質(zhì)粒構(gòu)建的技術(shù)幫助以及深圳先進(jìn)技術(shù)研究院質(zhì)譜基礎(chǔ)設(shè)施提供的代謝物分析幫助。此外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾杰、華南理工大學(xué)教授黃明濤、深圳先進(jìn)院研究員羅小舟提供了實(shí)驗(yàn)材料和論文寫作上的幫助。 

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