12月5日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于濤課題組與美國加州大學(xué)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(xué)品提供了頗有潛能的方式。該研究利用合成生物學(xué)和代謝工程手段開發(fā)的酵母細(xì)胞平臺(tái)，可將低碳化合物如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉(zhuǎn)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(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。這一成果有助于豐富基于可再生能源驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)新范式。

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

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)與糧食安全等問題。過去，大氣中的CO2通過熱化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、生化方以及一些耦合策略轉(zhuǎn)化為簡單的低碳化合物（C1-3），而通過這些平臺(tái)生產(chǎn)復(fù)雜的化合物頗為困難。以這些平臺(tái)合成的低碳化合物為底物，可通過微生物細(xì)胞工廠轉(zhuǎn)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(xué)偶聯(lián)微生物細(xì)胞工廠，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(jìn)而，于濤課題組在酵母細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了合成能量系統(tǒng)（細(xì)胞“雙引擎”設(shè)計(jì)），可以支持細(xì)胞生長并助力脂肪酸高效合成。?

本研究分析了酵母對(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)胞生長和葡萄糖生產(chǎn)。進(jìn)一步，研究通過碳源的混合使用與比例調(diào)控，提高了細(xì)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(zhuǎn)化為葡萄糖，其搖瓶產(chǎn)量可達(dá)1.08 g/L，發(fā)酵罐產(chǎn)量達(dá)13.41 g/L。?

進(jìn)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(jìn)入，獲得工程酵母能夠?qū)⒌吞蓟衔镛D(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)228.71mg/L和69.99 mg/L。除了單糖，研究還實(shí)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(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，研究通過表達(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)1.17g/L，發(fā)酵產(chǎn)量可達(dá)25.41 g/L。研究實(shí)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(dá)341.59mg/L。上述成果實(shí)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(jìn)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(dá)和調(diào)控葡萄糖抑制效應(yīng)等手段強(qiáng)化糖異生途徑來提高葡萄糖產(chǎn)量。研究表明，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。這為葡萄糖及其衍生物產(chǎn)量的提高提供了示例。同時(shí)，該研究構(gòu)建的葡萄糖合成菌株為進(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)的重要來源與研究熱點(diǎn)。本研究中，工程酵母的蛋白含量約達(dá)到細(xì)胞干重的50%。未來，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，并可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞蛋白的副產(chǎn)。?

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

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、招商局集團(tuán)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、廣東省綠色生物制造重點(diǎn)專項(xiàng)、深圳市微生物藥物智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中海石油化學(xué)股份有限公司與深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。