2021年终盘点｜人工合成淀粉的历程

2021年12月24日讯/生物谷BIOON/---淀粉由直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）组成。直链淀粉是一种线性分子，由α-1,4 糖苷键连接而成。支链淀粉具有高度分支的结构，分支内以 α-1,4 糖苷键连接，分支间则以 α-1,6 糖苷键相连。天然淀粉主要是支链淀粉，占 65%～85%，其余的则为直链淀粉。

直链淀粉和支链淀粉示意图，图片来自参考文献4。

在玉米、小麦、大麦、马铃薯、水稻和豌豆等高等植物中，淀粉合成的主要场所是叶绿体和淀粉体（amyloplast）。在植物的叶绿体基质中，叶绿体通过光合作用将空气中的二氧化碳（CO₂）转化为葡萄糖，而所产生的葡萄糖可以在叶绿体基质中合成淀粉。合成的淀粉可以暂时在叶绿体中以淀粉颗粒的形式储存起来，也可以运出叶绿体在细胞基质中合成蔗糖等糖分子，或者运出叶肉细胞，为植物的其他器官提供能源和原料。

植物叶绿体中的光合作用包括光反应和暗反应。光反应产生ATP和NADPH；暗反应，也称为固碳反应，卡尔文循环参与固碳反应。通过叶孔进入叶绿体基质的二氧化碳在rubisco羧化酶的作用下与它的受体二磷酸核酮糖（RuBP）产生3-磷酸甘油酸（3PG），3PG经还原后生成甘油醛-3-磷酸（G3P）。G3P一部分产生果糖-6-磷酸，经过葡萄糖-6-磷酸（G6P）、葡萄糖-1-磷酸（G1P）的转化过程生成 ADP-葡萄糖(ADP-Glucose)，进一步生成淀粉；G3P的另一部分被转运至细胞质经过一系列生化反应产生蔗糖。

卡尔文循环（Calvin cycle），也称为还原戊糖磷酸循环和C3途径。它是在光合作用期间将二氧化碳还原转化为糖的反应循环，是植物用于固定二氧化碳生成磷酸催糖的途径。图片来自wikidoc.org。

淀粉体是根冠细胞、子叶、胚乳、块根和块茎等贮藏组织中含有贮藏淀粉大颗粒的质体。 在多数情况下，这种质体的容积几乎被淀粉粒所占有，几乎没有膜结构（类囊体）和基质。淀粉体和叶绿体有密切关系，已观察到在马铃薯的块茎中可相互转换。

鉴于淀粉体自身不能进行光合作用固定二氧化碳，因此淀粉体中的淀粉合成是利用暗反应中产生的蔗糖作为碳源，在籽粒淀粉体中，蔗糖合酶或蔗糖转化酶将从叶片输送到籽粒的蔗糖水解为果糖和 ADP-葡萄糖（ADP-Glucose），后者经 ADP 葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）转化为磷酸已糖（G1P 和 G6P），进入淀粉体后又经过 AGPase 的作用产生ADP-葡萄糖，通过可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉分支酶(SBE)和淀粉异构酶（ISA）的作用生成支链淀粉，而另一部分经过颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS）生成直链淀粉，贮藏在胚乳细胞中。

异养组织中的淀粉合成，图片来自参考文献5。

淀粉是养活全球人口最重要的食物原料和重要的工业原料。全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种，找到更廉价、更大量的替代淀粉非常重要。

在玉米等农作物中，自然光合作用的淀粉合成与积累涉及60多步生化反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率为2%左右。在摆脱对植物光合作用依赖性的同时提高这种转化效率是人类面临的一个重大挑战。自合成生物学诞生以来，人们就开始尝试人工构建非自然途径，实现二氧化碳到淀粉的转化，以突破植物光合作用的瓶颈。但是，因为没有现存的技术路线供借鉴、一系列难以预测的瓶颈问题，这条科研之路注定充满荆棘，不亚于攀登珠峰。

我国科学家迎难而上。今年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所经过6年技术攻关，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。不依赖植物光合作用，设计出固定二氧化碳的人工生物系统，成功地从头合成淀粉，这一成果被国际学术界认为将是影响世界的重大突破性技术。人工合成淀粉火爆全网的背后是合成生物技术的强力支持，可以称得上是合成生物学领域的巨大进步。相关研究结果发表在2021年9月24日的Science期刊上，论文标题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”。

人工淀粉合成代谢途径（ASAP）的设计和模块化组装，图片来自参考文献6。

在这项里程碑式研究中，中国研究人员从6568个生化反应中设计出了一条仅包含11步主反应的甲醇到淀粉的人工路线---人工淀粉合成代谢途径（artificial starch anabolic pathway, ASAP）：首先在无机催化剂的作用下分解水产生的氢气将二氧化碳加氢还原为甲醇分子，然后再将甲醇转换成三碳分子，接下来利用三碳分子合成六碳糖分子，最后将六碳糖分子聚合成为淀粉。

这种人工淀粉合成途径依赖于来自许多不同来源生物的工程化重组酶，并且可以被调整为生产直链淀粉或直链淀粉，相对于其他合成碳固定系统而言，其速度和效率都非常好。

人工合成淀粉的路线图，图片来自参考文献6。

具体而言，他们分析与改进了来自动物、植物、微生物等31种不同物种的62个生物酶催化剂，再经过进一步的筛选，使用10种酶逐步地将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖，最终合成了直链淀粉和支链淀粉。在一种具有空间和时间隔离的化学酶系统中，ASAP在氢气的驱动下，以每分钟每毫克催化剂22纳摩尔二氧化碳的速度将二氧化碳转化为淀粉，比玉米的淀粉合成速度高出8.5倍。这种方法为今后从二氧化碳中合成化学生物杂交淀粉开辟了道路。

据中国研究人员的介绍，在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。

据本领域专家的推算，如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平，这将使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。

与此同时，这一最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径（ASAP），为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路，并且将为全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列问题带来深远影响。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.郑义等人. 植物淀粉生物合成的研究进展. 江苏农业科学[J]. 2009, 6:13-16.

2.杨荣光等人. 植物淀粉生物合成的研究进展. 安徽农业科学[J]. 2007, 35(28):8791-8793.

3.郭昌锋. CCDD基因组野生稻淀粉合成途径关键酶的分子进化[硕士论文].2014, doi:10.7666/d.D585026.

4. Ravindra V. Gadhave et al. Starch-Based Adhesives for Wood/Wood Composite Bonding: Review. Open Journal of Polymer Chemistry, 2017, doi: 10.4236/ojpchem.2017.72002.

5. Rupesh Tayade et al. Insight Into the Prospects for the Improvement of Seed Starch in Legume—A Review. Frontiers in Plant Science, 2019, doi:10.3389/fpls.2019.01213.

6. Tao Cai et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science, 2021, doi:10.1126/science.abh4049.