变废为粮！“流浪地球”粮食稳了——中科院合成淀粉蛋白新突破

近日央视农业发布视频《中科院合成淀粉蛋白新突破！“流浪地球3”的粮食稳了？》，向我们介绍了淀粉蛋白合成的最新进展。

中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心，与中国农业科学院生物技术研究所合作，在以玉米秸秆为底物高效合成淀粉和微生物蛋白方面取得新突破。

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先看一段视频

帮助大家更好了解

 地球去流浪，粮食不是问题？

合成淀粉有后续啦~

随着全球人口的不断增加，解决粮食安全问题对农业和自然资源（如淡水、土地、化肥和能源）提出了前所未有的挑战。我们亟需不断拓宽新的粮食来源以应对可能的粮食危机。生物质是自然界中最丰富的可再生生物资源，分布广泛，年产量是全球粮食总产量的75倍。将生物质中的纤维素转化为人造淀粉提供了一种生物合成人造粮食的新途径， 但使该转化过程变的经济可行仍面临艰巨的技术挑战。

中国科学院天津工业生物技术研究所联合中国农业科学院生物技术研究所，在Science Bulletin发表研究论文，开发了一种利用现有且丰富的农业废弃物（玉米秸秆）高效合成人造淀粉和微生物蛋白的新技术。

*图源中国科学杂志社

该研究利用没有辅酶的体外多酶分子机器和酿酒酵母进行一锅法生物转化，将预处理玉米秸秆中的纤维素进行酶水解合成人造淀粉，同时在有氧条件下发酵生产微生物蛋白。研究开发了低成本去除商业化纤维素酶中的β-葡萄糖苷酶的技术，并通过酿酒酵母细胞表面展示骨架蛋白用于固定淀粉磷酸化酶和纤维二糖磷酸化酶，构成一个多酶分子机器与酵母的复合体系，从而实现稀酸预处理秸秆的高效纤维素水解；利用纤维素水解中间产物的底物穿梭效应（从纤维素到微生物）快速消除葡萄糖对纤维素酶的产物抑制，相较于富含商业 β-葡萄糖苷酶的纤维素酶混合物表现出更好的纤维素水解速率。

*利用木质纤维素生物合成人造淀粉和单细胞蛋白途径示意图

*图源中国科学杂志社

该研究将人造淀粉的生产成本降低了一百多万倍，整个生物合成过程无需外加能量，为满足人造粮食生物合成的经济性要求提供了可能。另外，可同步低成本生产食品或饲料用微生物蛋白，为人类应对粮食危机，实现农业可持续发展提供了新思路和新方法。

 来听听研究人员是怎么说的？

--用木质纤维素生产淀粉有望缓解粮食危机

全球每年会产生约2000亿吨木质纤维素，由于每吨木质纤维素含有约40%的纤维素，因此每年约有800亿吨的纤维素产生。

“人类可以消化α-1，4-糖苷键连接而成的葡聚糖，即淀粉，但由于人体缺乏纤维素水解酶，因此无法从木质纤维素中消化由β-1，4-糖苷键连接而成的葡聚糖如纤维素。如果能将β-1，4-糖苷键连接组成的葡聚糖通过酶促反应转化为α-1，4-糖苷键连接组成的葡聚糖，即利用非食品生物质生产淀粉有望缓解粮食危机，对于人类来说将是一个重大利好。”论文通讯作者之一、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和说。

--开发体外多酶分子体系提高人造粮食生产效率

该研究利用包含纤维素降解酶和淀粉合成酶的体外多酶分子体系，与酿酒酵母进行生物转化，可以把玉米秸秆中的纤维素高效酶水解合成人造淀粉，同时在有氧条件下低成本发酵生产微生物蛋白。

“在这项研究中，我们首次创建了低成本的从商业化纤维素酶中去除β-葡萄糖苷酶的高效纤维素降解及纤维二糖生成技术，有效地从纤维素酶混合物中去除了β-葡萄糖苷酶，使用纤维素—酶—酵母复合物减轻了纤维素水解产物的反馈抑制，提高纤维素酶水解能力。”论文通讯作者之一、中国农业科学院生物技术研究所研究员张伟说。

论文通讯作者之一、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张以恒说：“传统生物制造需依赖活的生物体如微生物、植物和动物等，但大量能量和糖资源却用于与生物制造无关的生物自我繁殖、复制以及生命维持，制约了制造效率的提升。体外多酶分子体系是一种合成生物学新工具，完全避免了上述不必要的浪费，极大地提高了能源利用率，就如农业生产中的机械代替耕牛，使得人造粮食的高生产效率成为可能。”

“该研究重要的技术突破之一是低成本制备胞内重组酶，团队改造了重组酶表达菌株，使用廉价无机氮源和葡萄糖培养基，以超高密度进行微生物培养，将关键重组酶生产成本降低到接近最低理论值，实现每公斤重组酶(干重)生产成本仅250元，相对于实验室摇瓶发酵和常规酶纯化技术，降低酶成本100万倍左右；突破之二是在利用现有低成本纤维素酶的基础上，采用新技术去除β-葡萄糖苷酶后即可高效、稳定可控地水解纤维素，其成本相较昂贵的纯化纤维素酶降低近100万倍。”张以恒说。

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本文来源：央视农业(bilibili)、中国科学杂志、科技日报

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