糧食自主供給是保障經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。淀粉與蛋白是糧食的主要成分,也是重要的工業(yè)原料。隨著工業(yè)生物技術(shù)的快速發(fā)展,以秸稈、二氧化碳等可再生碳源,通過生物制造技術(shù)規(guī)模合成淀粉、蛋白等營養(yǎng)物質(zhì)成為可能,已成為國際生物技術(shù)競爭的焦點。
近日,中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所體外合成生物學(xué)中心與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所合作,在以玉米秸稈為底物,高效合成淀粉和微生物蛋白方面取得新進展。前期,攻關(guān)團隊圍繞秸稈制淀粉,按照纖維素水解、纖維二糖磷解與聚合的思路,設(shè)計創(chuàng)制了秸稈制淀粉的多酶分子機器,重構(gòu)了體外人工代謝轉(zhuǎn)化途徑,突破了纖維素β-1,4糖苷鍵定向重排為淀粉a-1,4糖苷鍵轉(zhuǎn)化等的關(guān)鍵問題,實現(xiàn)了從纖維素轉(zhuǎn)化合成為淀粉。然而,這條路線面臨生物轉(zhuǎn)化過程中底物能量利用效率低、轉(zhuǎn)化速度慢、成本高等問題,且與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有較大距離。圍繞該路線經(jīng)濟可行性提升,科研團隊潛心攻關(guān),設(shè)計改造多酶分子機器核心元件,優(yōu)化合成線路,提升了秸稈轉(zhuǎn)化淀粉的效率,為推進產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
研究團隊通過系統(tǒng)設(shè)計改造重組酶表達菌種,選用廉價無機氮源降低培養(yǎng)基成本,開發(fā)高密度微生物培養(yǎng)等技術(shù),將纖維二糖磷酸化酶、a-葡聚糖磷酸化酶等重組酶生產(chǎn)成本降低到250元/公斤。該團隊將制備預(yù)處理的秸稈生物質(zhì)或固態(tài)預(yù)處理的纖維素作為親和吸附介質(zhì),簡單、高效選擇性吸附纖維素酶中的內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶,高效去除了纖維素酶中β-葡萄糖苷酶,實現(xiàn)了秸稈纖維素的高效定向降解以及纖維素水解效率的提高。研究將纖維二糖磷酸化酶和a-葡聚糖磷酸化酶固定在釀酒酵母表面,有效利用纖維素水解中間產(chǎn)物葡萄糖,解除了葡萄糖對纖維素酶的抑制效應(yīng),提升了纖維素酶水解能力,并降低了纖維素酶用量??蒲腥藛T將纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖通過酵母好氧發(fā)酵利用,實現(xiàn)了微生物蛋白聯(lián)產(chǎn),降低了轉(zhuǎn)化路線的綜合成本。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Bulletin上。研究工作得到天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動、國家重點研發(fā)計劃等的支持。
秸稈轉(zhuǎn)化為淀粉和微生物蛋白的新方法示意圖