摘要：面对全球变暖加剧与人口增长带来的粮食挑战，如何摆脱对植物光合作用的依赖，实现二氧化碳（CO₂）和低碳分子向碳水化合物的高效、可持续转化，成为合成生物学领域的重大命题。
面对全球变暖加剧与人口增长带来的粮食挑战，如何摆脱对植物光合作用的依赖，实现二氧化碳（CO₂）和低碳分子向碳水化合物的高效、可持续转化，成为合成生物学领域的重大命题。
继人工转化二氧化碳合成己糖成功后，中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖团队近日在 Science Bulletin 上再次发表重要成果“Cell-free synthesis of high-order carbohydrates from low-carbon molecules”。他们成功利用无细胞生物转化（ivBT）平台，通过巧妙的酶工程设计和系统优化策略，实现了从甲醇等低碳分子高效合成蔗糖（C12），并进一步延伸合成了直链淀粉和纤维寡糖，为未来“无植物”糖类生产开辟了新路径。
团队前期的“化学-酶耦联”系统已能高效将 CO₂/甲醇转化为多种 C6 己糖，解决了糖分子立体结构精准控制的难题。然而，自然界最丰富的碳水化合物往往是更长链、结构更复杂的分子，如蔗糖（双糖，C12）、淀粉（多糖）。直接从 C1（如甲醇、CO₂）或 C3 分子（如二羟基丙酮）合成这些高碳化合物，面临路径设计复杂、酶催化效率瓶颈、多酶系统适配性差、能量消耗高等巨大挑战。本研究的目标，就是攻克这些难题，在无细胞系统中实现高阶碳水化合物的高效、精准合成。
图 | 利用低碳化合物生物转化合成复杂糖分子的路线图
要实现这个目标，关键在于克服路径中限速酶的效率瓶颈以及复杂多酶系统的适配难题。研究团队针对路径中果糖-6-磷酸（F6P）脱磷酸生成游离果糖这一关键且低效的步骤，利用聚焦理性迭代位点特异性诱变（FRISM）技术，通过锁定底物结合口袋的关键氨基酸位点（L149, S177, Y181, E183）并进行系统性筛选，最终获得了突变体 F6PP3。改造后，其对目标底物 F6P 的催化效率比原始酶飙升了 71 倍，极大地提升了前体供应效率。
与此同时，作为蔗糖合成核心催化剂的蔗糖合成酶（SUS）也经历了升级换代。团队选用大豆来源的 GmSUS 作为起点，发现其对路径所需的 ADP-葡萄糖底物活性不足。运用祖先序列重建（ASR）策略，他们深入分析了大量同源序列的进化信息，识别出潜在的保守有益位点。经过对 61 个候选位点的单点突变筛选，成功鉴定出 L98V、A104E、C563G 等有效突变位点。将这些突变组合得到超级突变体 GmSUS-M3，其对 ADP-葡萄糖和 UDP-葡萄糖的催化活性均比野生型提高了 3 倍。
一个完整的 ivBT-蔗糖合成系统包含多达 14 种酶组分，将它们简单地混合会导致整体效率低下。因此，团队创新性地开发了迭代扫描与系统滴定策略。他们在首轮扫描中，对系统中每一种酶设置浓度梯度，精准识别出限制全局效率的瓶颈酶（如 DhaK, FSA, GalU, SUS）；第二轮扫描，则聚焦于这些关键瓶颈酶，进行更精细的浓度微调；第三轮，则优化反应环境的 pH 值和温度等物理参数。经过超过 50 种不同组合条件的严谨测试与调整，最终将整个系统调校至最佳协同状态。这一智能优化策略成效斐然，在保证高效产出的前提下，系统总酶用量大幅减少了 50%，而每个酶分子的总周转率更是提升了 3.7 倍。
经过酶分子改造和系统智能调优的“ivBT-蔗糖 2.0”平台展现出卓越性能。以中间体二羟基丙酮（DHA）为起点，蔗糖的碳转化率达到了 86% 的高水平，特异性合成速率提升至 5.7 g/L/h，并且在提升底物浓度后，成功将蔗糖产物浓度推高至 14 g/L。更重要的是， 该系统的强大能力成功溯源至更基础的 C1 分子：分别以甲醛和甲醇为起点，团队实现了蔗糖的合成，完整验证了从单一碳源到复杂双糖这一非自然转化通路的可行性。这些指标显著超越了以往利用工程化酵母细胞发酵生产蔗糖的报道效率，标志着无细胞合成高阶糖类技术的重大飞跃。
依托于蔗糖合成平台的成功， 研究团队进一步展示了其强大的可拓展性，将合成目标瞄准了结构更为复杂的淀粉和功能性寡糖。本研究利用淀粉蔗糖酶（AS） 的生物催化能力，将平台产物——蔗糖直接转化为直链淀粉。这条新设计的路径绕开了引物依赖，并且能量（ATP）消耗更低。经过优化后的“ivBT-淀粉”系统实现了从甲醇直接合成 1.6 g/L 直链淀粉。
在探索更低能耗合成路线的同时， 团队还设计并验证了一条合成纤维寡糖（COS，如纤维二糖、纤维三糖等）的创新路径。该路径的核心思路是利用磷酸化酶（如 CBP, CDP）直接以葡萄糖-1-磷酸（G1P）为糖基供体，团队成功在 ivBT 系统中实现了从甲醇出发，合成出纤维二糖（C12）、纤维三糖以及聚合度更高的纤维寡糖混合物。这类纤维寡糖是公认的潜在益生元，在食品和健康领域具有重要应用价值，此研究为其提供了一条全新的、非植物依赖的生物制造途径。
这项研究首次在无细胞系统中，高效实现了从甲醇到蔗糖、淀粉及纤维寡糖等结构复杂糖分子的完整合成路线，建立了一个高度模块化、通用性强的无细胞生物转化（ivBT）平台。该平台以其路径的热力学可行性、步骤精简性及 ATP 消耗经济性，突破了自然界传统光合作用的限制，为工厂化“按需生产”糖类提供了新技术蓝图。
参考链接：
1.Wang Y, Chen P, Li W, Wang Y, Dong Q, Song W, Liu Y, Cai T, Sun Y, Yang J, Ma Y. Cell-free synthesis of high-order carbohydrates from low-carbon molecules. Sci Bull (Beijing). 2025 May 9:S2095-9273(25)00496-7. doi: 10.1016/j.scib.2025.04.069. Epub ahead of print. PMID: 40414754.
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来源：生辉SciPhi
