摘要：淀粉是主要的食品成分和工业原料，全球每年对淀粉的需求量超过 1.2 亿吨。人口增长、消费升级以及工业应用中对淀粉的需求正在不断增加，传统的淀粉供应方式将无法满足日益增长的需求。
淀粉是主要的食品成分和工业原料，全球每年对淀粉的需求量超过 1.2 亿吨。人口增长、消费升级以及工业应用中对淀粉的需求正在不断增加，传统的淀粉供应方式将无法满足日益增长的需求。
近年来，二氧化碳电转化技术不断取得突破。在这个过程中，随着可再生电力的消耗，二氧化碳被电催化成液态富含能量的 C1/C2 化学物质，如甲酸盐和乙酸盐，然后通过酶催化或微生物转化将这些短链底物转化为更复杂的化合物。
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和等人通过重新连接淀粉生物合成和糖异生途径，并调节细胞形态，将产油酵母 Yarrowia lipolytica 改造为高效的淀粉生物合成工厂，将二氧化碳电解产生的乙酸盐转化为淀粉。
相关文章以题为“Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing”发表在 Nature Communications。
图 | 人工酵母细胞工厂促进二氧化碳高效合成淀粉
由于存在 UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷转移酶和糖原合酶，Y. lipolytica 菌株能够自然积累淀粉/糖原，它们将葡萄糖-1-磷酸 (G1P) 通过 UDP-葡萄糖转化为直链淀粉。但当其以乙酸盐作为底物时，淀粉产量非常低（30.48 mg/L）。
为了提高野生菌株的淀粉生产能力，团队引入了异源淀粉生物合成途径 (SBP)，该途径由乙酸盐条件下的强 GPD 和 TEF 启动子驱动的葡萄糖-1-磷酸腺苷转移酶和淀粉合酶。
携带来自 Cereibacter sphaeroides 的 SBP 的工程菌株 ST503 积累的淀粉水平明显较高，高达 133.08 mg/L；携带来自大肠杆菌和聚球藻的 SBP 的工程菌株积累了不同水平的淀粉，达到 244.95 mg/L和 585.43 mg/L；带有一个大肠杆菌 SBP 拷贝和三个球形芽孢杆菌 SBP 拷贝的ST587 菌株，其淀粉产量分别达到 379.85 mg/L 和 704.34 mg/L。证明了使用合成的 Y. lipolytica 菌株进行基于低碳制造的淀粉生产的可行性。
当碳源充足时，淀粉会积累；营养不足的情况下，淀粉分解支持菌株的活动。理论上，增加 G1P 的代谢通量并消除淀粉降解将有利于提高淀粉的积累。最终，通过删除 ST594 中的糖原脱支酶和海藻糖 6-磷酸合酶/磷酸酶编码基因，以减少淀粉分解代谢并增加 UDP-葡萄糖供应，得到的 ST1266 菌株，其淀粉产量高达 593.99 mg/L。
通过细胞形态工程，团队消除了二态型 Y. lipolytica 菌株的菌丝形成能力，并验证了椭圆形细胞会显著限制细胞大小和淀粉含量。通过分别操纵特定基因刺激菌丝形成，包括 SRG1、MBP122、HCP1/2、PFS1和MHY123。所得菌株显著刺激了菌丝生长、细胞增大，并且积累了 10.69-36.05% 更高的淀粉。
图 | 菌丝形态使细胞空间更大，提高淀粉的积累
在以乙酸盐为唯一碳源的矿物质培养基中培养三株代表性菌株：野生型ST015、工程菌株 ST587（实现了异源 SBP 途径）和 ST1271（实现异源SBP途径，并对其进行了细胞形态改变和合成代谢和分解代谢重塑），以获得含淀粉的细胞，并称之为“微粒”。
在 ST587 和 ST1271 细胞中，总淀粉含量分别达到最高 290.94 和471.82 mg/g DCW。值得注意的是，不同菌株生成的淀粉组成存在差异：抗性淀粉比例从 0.99% 到 23.00% 不等。进一步培养 ST1271 菌株，120 小时后，该菌株积累了 19.30 g/L 淀粉，由此产生的时空淀粉生产力比小麦/玉米/水稻培养的速率高约 50 倍。通过微粒培养生产的淀粉浓度和速率也比其他微生物的淀粉生产高出一个数量级。
图 | 各种淀粉生产路线比较
通过补料分批发酵生产的微粒含有稳定比例的低聚合和高聚合淀粉，但不含抗性淀粉。通过不同培养过程生产的微粒中不同的淀粉组成模式是可重复的，这表明通过菌株和发酵过程的工程改造，有可能生产具有定制淀粉组成的微粒。
此外，团队还将底物扩展到了乙酸盐之外，通过提供乙酸盐和水解秸秆衍生的葡萄糖，建立了一条微生物秸秆到淀粉的转化途径，在乙酸盐存在的情况下，它能够将葡萄糖转化为富含淀粉的微粒。与单独使用乙酸盐相比，碳转化为淀粉的产量提高了 2.8 倍。
通过代谢组学和转录组学分析，研究团队还探索了工程酵母积累淀粉的机制和关键调节因子。在 ST587 和 ST1271 菌株中，参与乙酸盐同化、乙醛酸循环和糖异生途径的淀粉中间代谢物均急剧减少；转录分析表明，参与乙酸转运、乙酸同化和糖异生的基因表达同时降低。
总而言之，这项研究通过合成生物学驱动的菌株定制，用短链碳 (C1-C4) 原料培养的微粒子中淀粉含量高达 47.18%，这种定制方法以更快的速度模拟了作物驯化。作者预计，随着技术的发展，很快就能调节微颗粒成分的特定特性（如淀粉硬度、粘性和糊化程度），甚至将微颗粒开发为所需的全营养食品资源，例如定制营养粉。此外，需要进一步的技术进步和资源整合，以解决现阶段合成路径的高成本，并提高工艺效率和可扩展性。
参考链接：
1.Shi, Z., Xu, Z., Rong, W. et al. Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing. Nat Commun 16, 2784 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58067-z
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来源：生辉SciPhi
