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糧食自主供給是保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。淀粉與蛋白是糧食的主要成分，也是重要的工業(yè)原料。隨著工業(yè)生物技術(shù)的快速發(fā)展，以秸稈、二氧化碳等可再生碳源，通過生物制造技術(shù)規(guī)模合成淀粉、蛋白等營養(yǎng)物質(zhì)成為可能，已成為國際生物技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所體外合成生物學(xué)中心與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所合作，在以玉米秸稈為底物，高效合成淀粉和微生物蛋白方面取得新進(jìn)展。前期，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)圍繞秸稈制淀粉，按照纖維素水解、纖維二糖磷解與聚合的思路，設(shè)計(jì)創(chuàng)制了秸稈制淀粉的多酶分子機(jī)器，重構(gòu)了體外人工代謝轉(zhuǎn)化途徑，突破了纖維素β-1,4糖苷鍵定向重排為淀粉a-1,4糖苷鍵轉(zhuǎn)化等的關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了從纖維素轉(zhuǎn)化合成為淀粉。然而，這條路線面臨生物轉(zhuǎn)化過程中底物能量利用效率低、轉(zhuǎn)化速度慢、成本高等問題，且與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有較大距離。圍繞該路線經(jīng)濟(jì)可行性提升，科研團(tuán)隊(duì)潛心攻關(guān)，設(shè)計(jì)改造多酶分子機(jī)器核心元件，優(yōu)化合成線路，提升了秸稈轉(zhuǎn)化淀粉的效率，為推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造重組酶表達(dá)菌種，選用廉價(jià)無機(jī)氮源降低培養(yǎng)基成本，開發(fā)高密度微生物培養(yǎng)等技術(shù)，將纖維二糖磷酸化酶、a-葡聚糖磷酸化酶等重組酶生產(chǎn)成本降低到250元/公斤。該團(tuán)隊(duì)將制備預(yù)處理的秸稈生物質(zhì)或固態(tài)預(yù)處理的纖維素作為親和吸附介質(zhì)，簡(jiǎn)單、高效選擇性吸附纖維素酶中的內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶，高效去除了纖維素酶中β-葡萄糖苷酶，實(shí)現(xiàn)了秸稈纖維素的高效定向降解以及纖維素水解效率的提高。研究將纖維二糖磷酸化酶和a-葡聚糖磷酸化酶固定在釀酒酵母表面，有效利用纖維素水解中間產(chǎn)物葡萄糖，解除了葡萄糖對(duì)纖維素酶的抑制效應(yīng)，提升了纖維素酶水解能力，并降低了纖維素酶用量。科研人員將纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖通過酵母好氧發(fā)酵利用，實(shí)現(xiàn)了微生物蛋白聯(lián)產(chǎn)，降低了轉(zhuǎn)化路線的綜合成本。