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記者11月21日從中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所獲悉，該研究所體外合成生物學(xué)中心、低碳合成工程生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張以恒研究員團(tuán)隊(duì)，在纖維素制淀粉領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)合成技術(shù)路徑進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了纖維素全碳素利用合成淀粉。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》期刊上。

淀粉是人類和動(dòng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)以非糧生物質(zhì)為起點(diǎn)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(duì)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(jí)聯(lián)策略，體外生物轉(zhuǎn)化（ivBT）技術(shù)已能實(shí)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(shí)際產(chǎn)率更低，難以滿足工業(yè)化需求。

“我們重構(gòu)了能量循環(huán)新路徑，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)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。”張以恒介紹，同時(shí)，團(tuán)隊(duì)對(duì)酶元件穩(wěn)定性進(jìn)行了革新，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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了系統(tǒng)集成，通過對(duì)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(shí)轉(zhuǎn)化率提升至93.3%。

值得一提的是，此項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)出的淀粉為純直鏈淀粉，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(dú)特應(yīng)用潛力。目前已成功應(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(shí)現(xiàn)手性填料國產(chǎn)替代。

中國科學(xué)院院士鄧子新評(píng)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(shí)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)：“這項(xiàng)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(duì)糧食安全和實(shí)現(xiàn)非糧生物制造方面具有巨大潛力。”

（中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所供圖）