中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称深圳先进院合成所）研究员于涛团队与客座研究员Jay D. Keasling团队利用合成生物学和代谢工程手段开发的酵母细胞平台，能够将甲醇、乙醇、异丙醇等二氧化碳衍生的低碳化合物，转化为葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉等糖及糖衍生物。该工作通过微生物细胞工厂实现了系统性的糖类衍生物的生物合成，验证了多底物利用到多产物合成的可能性，并在研究中以葡萄糖为例，通过代谢重构和葡萄糖抑制调控，使其产量达到每升数十克。其研究成果近日发表于《自然-催化》。

农业为社会提供了食物和许多原材料，但目前面临着巨大挑战。随着人类活动加剧，大量二氧化碳排放造成的全球气候变化和环境问题严重影响了全球经济和环境可持续发展。因此，开发一种经济可行的、不占用耕地就能将二氧化碳转变成糖衍生食品和化学品的技术迫在眉睫。

研究团队首先通过分析酵母对不同低碳化合物的利用情况，拓展了微生物细胞工厂的碳源范围。“我们扩大了可利用的低碳原料谱。除了乙醇之外，酿酒酵母可将乙二醇、异丙醇、丙酸和甘油作为碳源用于细胞生长和葡萄糖生产。”论文通讯作者于涛说，研究团队构建的酿酒酵母可通过“吃”更广范围的碳源原料来合成糖类衍生物。通过碳源的混合使用以及比例调控，研究人员进一步促进了酵母细胞生长，提高了葡萄糖产量。

其次，研究团队以乙醇、甲醇、异丙醇和甘油为碳源，进一步拓展了碳水化合物的多样性，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。“通过引入代谢工程手段和异源合成途径，我们获得的工程酵母成功地将低碳化合物转化为单糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。”论文第一作者、深圳先进院合成所副研究员汤红婷说。

再次，除单糖外，研究人员实现了更高碳含量的二糖的合成。他们获得的工程菌株高效利用低碳化合物合成蔗糖，在此基础上，实现了蔗糖的分泌生产。通过在酵母细胞内引入两条淀粉合成途径并调控内源糖原合成及降解途径，他们打通了从低碳化合物到淀粉的合成路径。

最后，该研究提供了以低碳化合物为碳源高效生产高碳化合物的研究方法。虽然合成这些化合物需要引进外源途径，但其中枢代谢皆为糖异生途径。为有效提高葡萄糖及其衍生物的产量，研究人员以葡萄糖为研究案例，通过基因过表达和调控葡萄糖抑制效应等手段强化糖异生途径来提高葡萄糖产量。研究结果表明，调控葡萄糖抑制效应能够有效提高葡萄糖产量近一倍。

在该研究中，研究团队构建的工程酵母的蛋白含量约为细胞干重的50%。未来该技术有望以低碳原料实现糖类衍生物的高效产出，同时还能实现单细胞蛋白的产出。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-023-01063-7

（原载于《中国科学报》 2023-12-11 第1版 要闻）