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纖維素全碳素利用合成淀粉方面取得新突破
作者：張晴丹   來源：中國科學(xué)報
山東拓普生物工程有限公司  http://521google.com.cn
淀粉是人類和動物食物的核心能量來源，處于國家糧食安全國家戰(zhàn)略的核心位置，同時，淀粉還是食品工業(yè)、生物醫(yī)藥及生物制造的基礎(chǔ)性原料，實現(xiàn)以非糧生物質(zhì)為起點高效合成淀粉，被視為具有顛覆性意義的戰(zhàn)略技術(shù)方向。如果有穩(wěn)定、低成本的新淀粉供給，工業(yè)生物技術(shù)可進(jìn)一步將其高效轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)與氨基酸，從而降低對進(jìn)口大豆蛋白的依賴，增強(qiáng)我國糧食系統(tǒng)的自主可控性。
近年來，通過“纖維素部分水解—纖維二糖磷解—葡萄糖聚合淀粉”的多酶級聯(lián)策略，體外生物轉(zhuǎn)化（ivBT）技術(shù)已能實現(xiàn)纖維素向淀粉的部分轉(zhuǎn)化，但受限于合成路線，理論產(chǎn)率只有50%，且需依賴微生物發(fā)酵輔助，實際產(chǎn)率更低，難以滿足工業(yè)化需求。
近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱天津工生所）體外合成生物學(xué)中心、低碳合成工程生物學(xué)全國重點實驗室張以恒研究員團(tuán)隊在纖維素制淀粉領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上。
研究團(tuán)隊通過對合成技術(shù)路徑進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)了纖維素全碳素利用合成淀粉：（1）能量循環(huán)新路徑：通過創(chuàng)新設(shè)計葡萄糖回收與活化再利用機(jī)制，成功將理論淀粉得率從50%提升至100%，從根本上解決了碳損耗問題。（2）酶元件穩(wěn)定性革新：團(tuán)隊從特殊環(huán)境中系統(tǒng)挖掘并篩選出一系列具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的新型酶元件，將整體反應(yīng)溫度提升至50℃。不僅顯著增強(qiáng)了酶活性與反應(yīng)速率，還大幅降低了單位產(chǎn)出的酶用量，為工業(yè)化放大奠定了堅實基礎(chǔ)。（3）系統(tǒng)集成優(yōu)化：通過對反應(yīng)體系中各因素的協(xié)同優(yōu)化，最終將纖維素到淀粉的真實轉(zhuǎn)化率提升至93.3%。
該技術(shù)產(chǎn)出的淀粉為純直鏈淀粉，其聚合度高度可控，分子量分布（分散度）極窄，結(jié)構(gòu)均一性優(yōu)于天然提取的淀粉，在食品、醫(yī)藥和材料領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特應(yīng)用潛力。利用此技術(shù)合成的分子量可控的超純直鏈淀粉，成功應(yīng)用于手性分離填料，高效分離沙利度胺等手性藥物分子，實現(xiàn)手性填料國產(chǎn)替代。
中國科學(xué)院院士鄧子新評論道：“纖維素變淀粉的全碳素合成是體外合成生物學(xué)的新突破，擺脫傳統(tǒng)微生物代謝束縛，成功實現(xiàn)了超高得率糖苷鍵重排�！�
華東師范大學(xué)校長、中國工程院院士錢旭紅評價該成果：“具有技術(shù)流程上的開創(chuàng)性，是工程科學(xué)前沿的重大進(jìn)展�！�
西湖大學(xué)講席教授、德國工程院院士曾安平評價：“這項突破性工作為利用生物質(zhì)生產(chǎn)淀粉開辟了新路徑，在應(yīng)對糧食安全和實現(xiàn)非糧生物制造方面具有巨大潛力�！�
該研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動與合成生物學(xué)海河實驗室重大攻關(guān)項目的支持。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf503
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