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淀粉是碳水化合物的一種儲存形式，是人類飲食中卡路里的主要來源。淀粉是食品和動(dòng)物飼料的主要熱量成分，也是重要的工業(yè)原料。基于此，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和研究員利用一種化學(xué)-生物混合路徑，首次在無細(xì)胞系統(tǒng)中由二氧化碳（CO2）和氫人工合成了淀粉。其中，采用了一種類似“搭積木”的方式，通過計(jì)算路徑，模塊組裝和替代建立，并通過三種瓶頸相關(guān)酶的蛋白質(zhì)工程優(yōu)化，構(gòu)成了由11個(gè)核心反應(yīng)組成的人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）。在具有空間和時(shí)間分離的化學(xué)酶系統(tǒng)中，ASAP在氫的驅(qū)動(dòng)下，以每毫克總催化劑每分鐘22納摩爾CO2的速率將CO2轉(zhuǎn)化為淀粉，比玉米中的淀粉合成速率高約8.5倍，這種方法為未來從CO2合成化學(xué)-生物雜化淀粉開辟了道路。相關(guān)論文以題為“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”于9月24日發(fā)表在Science。https://www./doi/10.1126/science.abh4049 
淀粉顆粒中的直鏈淀粉和支鏈淀粉聚合物由通過α-1,4-糖苷鍵線性連接的葡萄糖殘基鏈組成，在支鏈淀粉的情況下通過α-1,6-糖苷鍵的分支點(diǎn)鏈接。其中，綠色植物中的淀粉合成涉及大約60個(gè)步驟和復(fù)雜的調(diào)控。雖然在提高植物生產(chǎn)的淀粉效率方面已作出許多努力，但光合作用的效率低下和淀粉合成的復(fù)雜性仍然存在。與此相反，合成生物學(xué)的進(jìn)展使得合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建能夠更有效地固定二氧化碳和化學(xué)生產(chǎn)。受光合作用中心原理的啟發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出優(yōu)異的化學(xué)催化劑，以更有效地從太陽能和水中提供電子或氫，從而將CO2還原為簡單的化學(xué)品。在本研究中，作者使用CO2還原催化劑，其產(chǎn)生還原的一個(gè)碳（C1）單元作為無細(xì)胞淀粉合成的化學(xué)酶途徑的輸入。選擇甲酸和甲醇作為候選中間體，以連接可能的化學(xué)催化劑和生物酶，利用甲醛酶（fls）來設(shè)計(jì)和構(gòu)建來自候選C1中間體的淀粉合成途徑的酶促部分。通過組合算法從甲酸或甲醇中起草了兩條簡明的淀粉合成途徑。原則上，淀粉可以通過CO2與甲酸或甲醇作為C1橋接中間體的九個(gè)核心反應(yīng)來合成。同時(shí)，采取了模塊化組裝和替代的策略。兩種淀粉合成途徑被分為更易于管理的模塊，包括一個(gè)C1模塊（用于甲醛生產(chǎn)），一個(gè)C3模塊（用于3-磷酸d-甘油醛生產(chǎn)）、一個(gè)C6模塊（用于d-葡萄糖6-磷酸生產(chǎn)）和Cn模塊（用于淀粉合成）。作者推測，節(jié)能但在熱力學(xué)上不利的C1模塊產(chǎn)生的甲醛可能無法為C3a模塊中fls的關(guān)鍵反應(yīng)提供材料。因此，構(gòu)建了具有熱力學(xué)上更有利的反應(yīng)級聯(lián)反應(yīng)的替代C1模塊。在熱力學(xué)上最有利的C1e模塊成功地與C3a模塊組裝在一起，并且從甲醇中獲得了更高的C3化合物產(chǎn)率。在計(jì)算路徑設(shè)計(jì)的幫助下，通過組裝和替換由來自31個(gè)生物體的62種酶構(gòu)成的11個(gè)模塊，作者建立了人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）1.0，其中有10個(gè)以甲醇為起始的酶促反應(yīng)。ASAP 1.0 的主要中間體和目標(biāo)產(chǎn)物通過同位素13 C 標(biāo)記實(shí)驗(yàn)檢測到，驗(yàn)證了其從甲醇合成淀粉的全部功能。（文：Doublenine）
圖1.人工淀粉合成代謝途徑的設(shè)計(jì)和模塊化組裝
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