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(jī),實(shí)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(xì)胞蛋白的新技術(shù),進(jìn)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(jī)
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(jī),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(jìn)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(xiàng)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(fèi),極大地提高了能源利用率,就如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)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(tuán)隊改造了重組酶表達(dá)菌株,使用廉價無機(jī)氮源和葡萄糖培養(yǎng)基,以超高密度進(jìn)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(shí)現(xiàn)每公斤重組酶(干重)生產(chǎn)成本僅250元,相對于實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)困局,夯實(shí)中國糧食安全根基。
(責(zé)任編輯:華康)