我国知名白癜风专家 https://baike.baidu.com/item/%E5%88%98%E4%BA%91%E6%B6%9B/21900249?fr=aladdin摘要：本文报告一个化学-生化杂交途径，从二氧化碳(CO2)和氢在无细胞系统合成淀粉。通过计算路径设计了由11个核心反应组成的人工淀粉合成代谢途径(ASAP)，并通过模块组装和替代建立了人工淀粉合成代谢途径，通过3种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行了优化。ASAP以每分钟22nMol的速度将CO2转化为淀粉，这比玉米中淀粉的合成速度高出约8.5倍。
杂志名：Science.Sep24;():-.
英文题目：Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide
作者：TaoCai,HongbingSun,JingQiao,LeileiZhu,FanZhang,JieZhang,ZijingTang,XinleiWei,JiangangYang,QianqianYuan,WangyinWang,XueYang,HuanyuChu,QianWang,ChunYou,HongwuMa,YuanxiaSun,YinLi,CanLi,HuifengJiang,QinhongWang,YanheMa*.
通讯作者单位：中科院天津工业所
在绿色植物中，淀粉的合成涉及大约60个步骤。尽管已经做了很多努力来提高植物中淀粉的产量，光合作用的低效和淀粉生物合成的复杂性阻碍其高效合成。在光合作用的核心原理启发下，我们使用了一种化学CO2还原催化剂，产生还原的单碳(C1)单元，作为化学酶途径的起始，用于无细胞淀粉合成。原则上，以CO2为原料，以甲酸或甲醇为C1桥接中间体，仅通过9个核心反应即可合成淀粉(图1，内圈)。
图1.人工淀粉合成途径的设计和模块组装。
与在数亿年的选择中进化出功能和兼容性的自然途径相比，计算设计的途径经常受到来自不同生化环境的酶之间不可预测和不希望的相互作用的阻碍。为了克服这些问题，我们采取了模块化装配和替代的策略。两种淀粉合成途径被分为更易处理的模块，包括C1模块(用于生成甲醛)、C3模块(用于生成d-甘油醛3-磷酸)、C6模块(用于生成d-葡萄糖-6-磷酸)和Cn模块(用于合成淀粉)。根据数据库中已知的酶，初步构建了5个模块。
图2:各单元人工模块
在计算途径设计的帮助下，通过组装和替换来自31个生物体的62种酶的11个模块，我们建立了人工淀粉合成途径(ASAP)1.0，验证了其在甲醇合成淀粉中的完整功能。在建立ASAP1.0之后，我们试图通过解决潜在的瓶颈来优化这一途径。首先，由于其动力学活性较低，在ASAP1.0中，fls酶约占总蛋白剂量的86%，以维持代谢通量，并将有*甲醛维持在非常低的水平。定向进化提高了fls的催化活性，得到了变体fls-m3(flsI28L/T90L/NH)，对5mm甲醛的催化活性提高了4.7倍。我们还发现变体fbp-AR(fbpKQ/RI)包含AMP变构位点的两个突变，可以缓解ADP抑制，并显著提高DHA产生的G-6-P。三种核苷酸对fbp和fbp-ar的抑制模式分析表明，ATP或ADP是系统中抑制的决定因素。通过将fbp-AR与已报道的抗G-6-P变体整合，一个联合变体fbp-AGR(fbpKQ/RI/YF/KQ)能够进一步改进。我们还尝试提高agp的容量。根据报道的氨基酸替换，我们创造了三个高活性的agp变体，最好的变体agp-M3成功地将DHA的淀粉合成提高了大约六倍。利用这三种工程酶(fls-M3、fbp-AGR和agp-M3)，我们构建了ASAP2.0，它在10小时内从20mM甲醇中生产~mg/L直链淀粉(表1)。
随着ASAP2.0的上述成功，我们通过先前开发的无机催化剂ZnO-ZrO2(34)，将酶促过程与CO2还原耦合起来，进而从CO2和氢中合成淀粉。由于CO2加氢的不利条件，我们在ASAP3.0中开发了一个化学酶级联反应系统，该系统包含化学反应单元和酶反应单元。为了满足fls对高浓度甲醛的需求，并避免甲醛对其他酶的*性，我们进一步对酶单元进行了两步操作。在化学反应单元中，CO2被化学氢化成甲醇，并在第一个小时内不断地将产生的甲醇浓缩并注入酶单元，最终浓度为~mM。在酶的催化下转化为1.6g/L直链淀粉淀粉。在碘溶液存在下，合成直链淀粉表现出与标准直链淀粉相同的深蓝色和吸收最大值(图3B)。
图3所示。由CO2经ASAP合成淀粉。
天然淀粉含有20~30%直链淀粉和70~80%支链淀粉。为了从CO2中合成支链淀粉，我们在ASAP3.1中引入了创伤弧菌的淀粉分支酶。这个装置在4小时内产生了~1.3g/L支链淀粉(图3A)。经碘处理后，合成支链淀粉呈红褐色，与标准支链淀粉的最大吸收值相当(图3B)。合成的直链淀粉和支链淀粉都表现出与标准对应物相同的1到6个质子核磁共振信号(图3,C和D)。
结论：
ASAP3.0实现了从CO2到淀粉生产效率以每分钟22nMol的速度将CO2转化为淀粉，这比玉米中淀粉的合成速度高出约8.5倍。为无细胞、化学酶工业生物制造淀粉提供了一个新起点。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
