中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所于濤課題組與美國加州大學伯克利分校Jay D. Keasling課題組，在《自然-催化》（Nature?Catalysis）上發(fā)表了最新成果。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頗有潛能的方式。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，可將低碳化合物如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉化為糖及糖衍生物如葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。研究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。這一成果有助于豐富基于可再生能源驅動的農(nóng)業(yè)新范式。

農(nóng)業(yè)為社會提供食物和許多原材料，但面臨著挑戰(zhàn)。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)境問題影響了全球經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，亟需開發(fā)一種經(jīng)濟可行且不占用可耕地便可將CO2轉變成糖衍生食品和化學品的技術。?

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問題。過去，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），而通過這些平臺生產(chǎn)復雜的化合物頗為困難。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。前期，于濤課題組的研究表明，通過電化學偶聯(lián)微生物細胞工廠，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可行的、高效的方法。該方法具有更低的成本、更快的速度和更高的生產(chǎn)能力。進而，于濤課題組在酵母細胞內(nèi)構建了合成能量系統(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。?

本研究分析了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)。進一步，研究通過碳源的混合使用與比例調(diào)控，提高了細胞生長和葡萄糖產(chǎn)量。研究通過工程畢赤酵母，可將甲醇（C1）高效的轉化為葡萄糖，其搖瓶產(chǎn)量可達1.08 g/L，發(fā)酵罐產(chǎn)量達13.41 g/L。?

進一步，該研究以乙醇、甲醇、異丙醇和甘油為碳源，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）。研究顯示，通過代謝工程手段和異源合成途徑的進入，獲得工程酵母能夠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228.71mg/L和69.99 mg/L。除了單糖，研究還實現(xiàn)了更高碳含量的二糖的合成。研究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，研究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1.17g/L，發(fā)酵產(chǎn)量可達25.41 g/L。研究實現(xiàn)了淀粉的微生物合成。該工作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341.59mg/L。上述成果實現(xiàn)了微生物的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”。?

該工作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。為了有效提高葡萄糖及其衍生物的產(chǎn)量，科研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。這為葡萄糖及其衍生物產(chǎn)量的提高提供了示例。同時，該研究構建的葡萄糖合成菌株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。本研究中，工程酵母的蛋白含量約達到細胞干重的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，并可實現(xiàn)單細胞蛋白的副產(chǎn)。?

近日，由深圳先進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”在北京揭牌成立。于濤課題組將在聯(lián)合實驗室的支持下繼續(xù)推進該方向的相關課題研究。?

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、招商局集團、國家自然科學基金、中國科學院、廣東省綠色生物制造重點專項、深圳市微生物藥物智能制造重點實驗室、中海石油化學股份有限公司與深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的支持。