全球人口的快速增長和氣候變化將使人類面臨糧食安全的巨大挑戰(zhàn)。利用合成生物技術(shù)將農(nóng)業(yè)廢棄物資源高效轉(zhuǎn)化為人造糧食則是緩解糧食危機，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，開發(fā)了一種利用玉米秸稈高效生物合成人造淀粉和單細胞蛋白的新技術(shù)，進一步降低了人造淀粉的生產(chǎn)成本，為糧食生產(chǎn)提供了新的途徑。相關(guān)研究論文在線發(fā)表于《科學(xué)通報》（英文版）。
用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)淀粉 有望緩解糧食危機
全球每年會產(chǎn)生約2000億噸木質(zhì)纖維素，由于每噸木質(zhì)纖維素含有約40%的纖維素，因此每年約有800億噸的纖維素產(chǎn)生。
“人類可以消化α-1，4-糖苷鍵連接而成的葡聚糖，即淀粉，但由于人體缺乏纖維素水解酶，因此無法從木質(zhì)纖維素中消化由β-1，4-糖苷鍵連接而成的葡聚糖如纖維素。如果能將β-1，4-糖苷鍵連接組成的葡聚糖通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為α-1，4-糖苷鍵連接組成的葡聚糖，即利用非食品生物質(zhì)生產(chǎn)淀粉有望緩解糧食危機，對于人類來說將是一個重大利好。”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員馬延和說。
開發(fā)體外多酶分子體系 提高人造糧食生產(chǎn)效率
該研究利用包含纖維素降解酶和淀粉合成酶的體外多酶分子體系，與釀酒酵母進行生物轉(zhuǎn)化，可以把玉米秸稈中的纖維素高效酶水解合成人造淀粉，同時在有氧條件下低成本發(fā)酵生產(chǎn)微生物蛋白。
“在這項研究中，我們首次創(chuàng)建了低成本的從商業(yè)化纖維素酶中去除β-葡萄糖苷酶的高效纖維素降解及纖維二糖生成技術(shù)，有效地從纖維素酶混合物中去除了β-葡萄糖苷酶，使用纖維素—酶—酵母復(fù)合物減輕了纖維素水解產(chǎn)物的反饋抑制，提高纖維素酶水解能力。”論文通訊作者之一、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所研究員張偉說。
論文通訊作者之一、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員張以恒說：“傳統(tǒng)生物制造需依賴活的生物體如微生物、植物和動物等，但大量能量和糖資源卻用于與生物制造無關(guān)的生物自我繁殖、復(fù)制以及生命維持，制約了制造效率的提升。體外多酶分子體系是一種合成生物學(xué)新工具，完全避免了上述不必要的浪費，極大地提高了能源利用率，就如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機械代替耕牛，使得人造糧食的高生產(chǎn)效率成為可能。”
“該研究重要的技術(shù)突破之一是低成本制備胞內(nèi)重組酶，團隊改造了重組酶表達菌株，使用廉價無機氮源和葡萄糖培養(yǎng)基，以超高密度進行微生物培養(yǎng)，將關(guān)鍵重組酶生產(chǎn)成本降低到接近最低理論值，實現(xiàn)每公斤重組酶（干重）生產(chǎn)成本僅250元，相對于實驗室搖瓶發(fā)酵和常規(guī)酶純化技術(shù)，降低酶成本100萬倍左右；突破之二是在利用現(xiàn)有低成本纖維素酶的基礎(chǔ)上，采用新技術(shù)去除β-葡萄糖苷酶后即可高效、穩(wěn)定可控地水解纖維素，其成本相較昂貴的純化纖維素酶降低近100萬倍。”張以恒說。
這種新技術(shù)為生產(chǎn)人造糧食開辟了新途徑，做到了以前沿新技術(shù)端牢中國飯碗，實現(xiàn)“藏糧于技、藏糧于山、藏糧于林”，有望解決糧食儲存的經(jīng)濟困局，夯實中國糧食安全根基。
