您的位置 首页 化学生物学

从二氧化碳到淀粉的无细胞化学酶法合成

2021年9月24日,中科院天津工业生物技术研究所与中科院大连化学物理研究所等团队在Science 上联合发表了题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”的研究论文。该研究成功创制了一条利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线——ASAP路线,在实验室首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头全合成,也使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。

淀粉是食品和动物饲料的主要热量成分,也是重要的工业原料。绿色植物中淀粉的合成涉及大约60个步骤和复杂的调节,并受限于低效的光合作用。合成生物学的进步使设计、构建更高效的CO2固定和化学生产系统成为可能。在光合作用的核心原理的启发下,非凡的化学催化剂已被开发出来,能有效利用太阳能和水中的电子或氢,将二氧化碳还原为简单的化学物质。在这项研究中,作者使用化学催化剂将CO2还原成一碳化合物(C1),作为无细胞淀粉合成中化学酶途径的输入。

为构建淀粉合成途径,作者首先以甲酸和甲醇作为候选中间体,连接可能的化学催化剂和酶。利用甲醇酶formolase (fls)设计和构建了候选中间体的淀粉合成途径的酶的部分。基于来自MetaCyc数据库(22个)和ATLAS数据库(23个)的6568个主要反应,以及15个甲酸和8个甲醇利用反应的两组组合,作者使用组合算法和简洁的通量平衡分析(comb-FBA)和Python中的COBRApy工具箱,拟定了从甲酸或甲醇中提取淀粉的两条简明路径。原则上,以CO2为原料,以甲酸或甲醇为C1中间体,仅通过9个核心反应即可合成淀粉。

图1  人工淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

与自然途径相比,计算设计的途径经常受到不同酶之间不适配的阻碍。为克服这些问题,作者采取了模块化装配和替代的策略。两个淀粉合成途径被分为C1模块(合成甲醛)、C3模块(合成D-甘油醛3-磷酸)、C6模块(合成D-葡萄糖-6-磷酸)和Cn模块(合成淀粉)。根据数据库中已知的酶,初步构建了5个模块(C1a/C1b, C3a, C6a, Cna)。由于C1a, C1b和C3a模块组装后不能检测到C3化合物,作者推测节能但在热力学上不利的C1模块产生的微量甲醛可能无法为C3a模块中的fls提供原料,因此构建了热力学上更有利的C1e模块。将C1e与C3a模块组装,从甲醇中获得了高得多的C3化合物。

图2  C1模块的构建及C1-Cn模块的组装

C1e+C3a与C6a模块的组装仅可产生微量的葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)。这是由于C3a中的二羟丙酮激酶(dak)和C6a中的果糖-6-磷酸醛缩酶(fsa)之间的活性不平衡,碳通量被困在磷酸丙糖。此外,乙醇醛是C3a中fls催化反应的副产物,竞争性地抑制了fsa的功能。作者根据不同种类的醛缩酶构建了两个替代模块(C6b、C6c)。然而,嗜热果糖-1,6-二磷酸醛缩酶/磷酸酶的低活性阻碍了C6c的性能。对于(C1e + C3a) + C6b的组装,C6b模块的大肠杆菌果糖二磷酸酶(fbp)的功能被C3a模块中dak的必要辅助因子5 ‘-三磷酸腺苷(ATP)和5 ‘ -二磷酸腺苷(ADP)抑制。作者将ATP再生系统与(C1e + C3a) + C6b结合[命名为(C1e + C3a) + C6b*],使ATP和ADP降低到一个可耐受的水平,并成功由甲醇合成G-6-P。

图3  C6模块的构建和评估

Cna与C1e + C3a + C6b*组装后未能检测到直链淀粉。作者分析认为Cna的α-葡聚糖磷酸化酶合成直链淀粉受到高无机磷酸盐(Pi)/α-D-葡萄糖 1-磷酸(G-1-P)比率的严重抑制,因此构建了ATP依赖的Cnb模块(对高Pi/G-1-P比率有抗性)。(C1e + C3a + C6b*) + Cnb的组装可由20 mM甲醇生成~30 mg/L直链淀粉。在计算途径设计的帮助下,通过组装和替换来自31个生物体的62种酶的11个模块,建立了人工淀粉合成途径(ASAP) 1.0,共计10个酶反应。并通过同位素13C标记检测了ASAP 1.0的主要中间体和目标产物,验证了其在甲醇合成淀粉中的完整功能。

由于ASAP 1.0中fls酶的活性较低,作者通过定向进化获得了fls-M3 (flsI28L/T90L/N283H)变体,其对5mM甲醛的催化活性提高了4.7倍, 主要产物为二羟基丙酮(DHA)。之后,结合先前的研究,作者构建了组合突变体fbp-AGR(fbpK104Q/R132I/Y210F/K218Q),缓解了ATP和ADP对fbp的抑制,显著提高了G-6-P的产量。此外,考虑到dak和葡萄糖焦磷酸化酶(agp)竞争使用ATP导致前4h淀粉产量很低。作者结合先前研究创造了三个高活性的agp变体,其中agp-M3成功将DHA的淀粉合成提高了约六倍。基于fls-M3、fbp-AGR和agp-M3的ASAP 2.0可在10h内由20 mM甲醇合成~230 mg/L直链淀粉,相比ASAP 1.0提高了7.6倍。

图4  解决ASAP中的主要瓶颈

进一步地,通过先前开发的无机催化剂ZnO-ZrO2将酶促过程与CO2还原相结合,建立了化学酶促级联系统,从CO2和氢气合成淀粉。为满足 fls 对高浓度甲醛的需求并避免甲醛对其他酶的毒性,将酶促过程分成两步。在化学反应单元中,CO2以~0.25 g/h/g催化剂的速率在1h内被还原为~100 mM甲醇。在酶促单元中,甲醇首先被补充的两种核心酶和过氧化氢酶 (cat) 在1h内转化为~22.5 mM C3中间体DHA,并在随后的2h内被补充的其余八种核心酶和辅助成分转化为~1.6 g/L 直链淀粉。由于天然淀粉含有~20-30% 的直链淀粉和 70-80% 的支链淀粉,为了从CO2合成支链淀粉,作者向ASAP 3.1中引入了来自创伤弧菌的淀粉分支酶 (sbe),在4h内产生了~1.3 g/L支链淀粉。合成的直链和支链淀粉都表现出与其标准对应物相同的质子核磁共振信号。

图5  利用ASAP从CO2合成淀粉

通过使用时空分离的步骤,ASAP 3.0 实现了~410 mg/L/h 的高淀粉生产率。该化学酶途径的淀粉合成速率达到22 nmol/min/mg催化剂和蛋白质,比​​玉米中通过卡尔文循环的淀粉合成速率高 8.5 倍。 ASAP 的最大理论太阳能-淀粉效率hSSE约为7%,这与太阳能对植物生物质 C3(4.6%)和 C4 (6%)的理论光合效率相近,是自然环境中植物的理论太阳能-淀粉效率(2%)的3.5倍。

表1  ASAP迭代与其他自然和合成途径的比较

中国科学院天津工业生物技术研究所实现CO2到淀粉的从头合成,为淀粉的工业生物制造等应用提供了重要的起点,对未来的农业生产具有革命性的影响,对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049



回复 Sursmo 取消回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

评论列表(158)

  1. Specjalną aplikację na Android oraz iOS, stworzoną z uwzględnieniem intuicyjnej nawigacji i ekspresowych sesji. Unikalnymi premiami mobilnymi, włącznie z dodatkowymi 50 bezpłatnymi obrotami dla użytkowników korzystających z aplikacji. Natychmiastowymi transakcjami mobilnymi, takimi jak Google Pay, Apple Pay czy transfery BLIK, gwarantującymi pełną swobodę finansową.

    http://www.agisko.pl/

  2. Публикация предлагает уникальную подборку информации, которая будет интересна как специалистам, так и широкому кругу читателей. Здесь вы найдете ответы на часто задаваемые вопросы и полезные инсайты для дальнейшего применения.
    Обратиться к источнику – https://lemeniz.com/codere-nuevo-sponsor-para-river-contrato-fotos-y-detalles-aim-com-argentin-6

  3. Эта статья предлагает живое освещение актуальной темы с множеством интересных фактов. Мы рассмотрим ключевые моменты, которые делают данную тему важной и актуальной. Подготовьтесь к насыщенному путешествию по неизвестным аспектам и узнайте больше о значимых событиях.
    Детальнее – http://cbs.torzhok.tverlib.ru/glava-zhiteyskie-arabeski

  4. Выбор помощи на дому имеет ряд значительных преимуществ:
    Подробнее тут – [url=https://vyvod-iz-zapoya-tula0.ru/]вывод из запоя тула.[/url]

  5. Эта информационная заметка содержит увлекательные сведения, которые могут вас удивить! Мы собрали интересные факты, которые сделают вашу жизнь ярче и полнее. Узнайте нечто новое о привычных аспектах повседневности и откройте для себя удивительный мир информации.
    Что ещё? Расскажи всё! – https://skylab-ua.com/tactics-tips-and-spectacular-tools

  6. Эта обзорная заметка содержит ключевые моменты и факты по актуальным вопросам. Она поможет читателям быстро ориентироваться в теме и узнать о самых важных аспектах сегодня. Получите краткий курс по современной информации и оставайтесь в курсе событий!
    Нажми и узнай всё – http://russianicons.ru/order.php?obj=44

  7. Эта публикация завернет вас в вихрь увлекательного контента, сбрасывая стереотипы и открывая двери к новым идеям. Каждый абзац станет для вас открытием, полным ярких примеров и впечатляющих достижений. Подготовьтесь быть вовлеченными и удивленными каждый раз, когда продолжите читать.
    Что ещё нужно знать? – http://cbs.torzhok.tverlib.ru/node/1106

  8. Эта информационная заметка содержит увлекательные сведения, которые могут вас удивить! Мы собрали интересные факты, которые сделают вашу жизнь ярче и полнее. Узнайте нечто новое о привычных аспектах повседневности и откройте для себя удивительный мир информации.
    Все материалы собраны здесь – https://knopkastarta.ru

  9. В статье представлены ключевые моменты по актуальной теме, дополненные советами экспертов и ссылками на дополнительные ресурсы. Цель материала — дать читателю инструменты для самостоятельного развития и принятия осознанных решений.
    Это стоит прочитать полностью – http://www.wishmatrix.ru

  10. Предлагаем вашему вниманию интересную справочную статью, в которой собраны ключевые моменты и нюансы по актуальным вопросам. Эта информация будет полезна как для профессионалов, так и для тех, кто только начинает изучать тему. Узнайте ответы на важные вопросы и расширьте свои знания!
    Разобраться лучше – https://www.antonelloosteria.com/menu-category/brunches

  11. Этот информативный текст отличается привлекательным содержанием и актуальными данными. Мы предлагаем читателям взглянуть на привычные вещи под новым углом, предоставляя интересный и доступный материал. Получите удовольствие от чтения и расширьте кругозор!
    Разобраться лучше – https://www.hausdrachen.net/2011/04/05/mein-schatten-ist-blond

  12. Эта информационная статья содержит полезные факты, советы и рекомендации, которые помогут вам быть в курсе последних тенденций и изменений в выбранной области. Материал составлен так, чтобы быть полезным и понятным каждому.
    Только факты! – https://hk.mixodus.com/2019/08/02/%E6%80%8E%E6%A8%A3%E9%81%B8%E8%B3%BC%E4%BD%A0%E5%90%88%E9%81%A9%E7%9A%84audio-interface-%E9%8C%84%E9%9F%B3%E4%BB%8B%E9%9D%A2

  13. Эта статья для ознакомления предлагает читателям общее представление об актуальной теме. Мы стремимся представить ключевые факты и идеи, которые помогут читателям получить представление о предмете и решить, стоит ли углубляться в изучение.
    Только для своих – https://successfullquote.com/ratan-tata-biography-in-hindi

  14. В этой статье представлен занимательный и актуальный контент, который заставит вас задуматься. Мы обсуждаем насущные вопросы и проблемы, а также освещаем истории, которые вдохновляют на действия и изменения. Узнайте, что стоит за событиями нашего времени!
    Изучить аспект более тщательно – https://backchatspeechpathology.com.au/living-the-dream/mother-forker-life-with-3-boys

  15. В этой статье-обзоре мы соберем актуальную информацию и интересные факты, которые освещают важные темы. Читатели смогут ознакомиться с различными мнениями и подходами, что позволит им расширить кругозор и глубже понять обсуждаемые вопросы.
    Выяснить больше – https://vistoweekly.com/65-inch-tv-dimensions

  16. В этом обзорном материале представлены увлекательные детали, которые находят отражение в различных аспектах жизни. Мы исследуем непонятные и интересные моменты, позволяя читателю увидеть картину целиком. Погрузитесь в мир знаний и удивительных открытий!
    Все материалы собраны здесь – https://socalais-athletisme.fr/how-i-made-200-new-friends-in-one-year

  17. Эта информационная заметка содержит увлекательные сведения, которые могут вас удивить! Мы собрали интересные факты, которые сделают вашу жизнь ярче и полнее. Узнайте нечто новое о привычных аспектах повседневности и откройте для себя удивительный мир информации.
    Все материалы собраны здесь – https://logisticaintegral.online

  18. Мы предлагаем вам подробное руководство, основанное на проверенных источниках и реальных примерах. Каждая часть публикации направлена на то, чтобы помочь вам разобраться в сложных вопросах и применить знания на практике.
    Читать дальше – https://chauffeurvtc-ecozen.com/the-importance-of-building-a-strong-brand-identity

  19. Этот информативный текст выделяется своими захватывающими аспектами, которые делают сложные темы доступными и понятными. Мы стремимся предложить читателям глубину знаний вместе с разнообразием интересных фактов. Откройте новые горизонты и развивайте свои способности познавать мир!
    Подробнее можно узнать тут – https://nina-polkownik.de/carlo1

  20. Эта информационная статья охватывает широкий спектр актуальных тем и вопросов. Мы стремимся осветить ключевые факты и события с ясностью и простотой, чтобы каждый читатель мог извлечь из нее полезные знания и полезные инсайты.
    Углубиться в тему – https://www.vlekks.nl/porttitor-egetdolor-morbi-nonarcu-risusquis

  21. Эта публикация дает возможность задействовать различные источники информации и представить их в удобной форме. Читатели смогут быстро найти нужные данные и получить ответы на интересующие их вопросы. Мы стремимся к четкости и доступности материала для всех!
    Подробнее – http://astratransport.ru

  22. В статье представлены ключевые моменты по актуальной теме, дополненные советами экспертов и ссылками на дополнительные ресурсы. Цель материала — дать читателю инструменты для самостоятельного развития и принятия осознанных решений.
    Доступ к полной версии – https://granato.tv/?page_id=400

  23. В этой статье представлен занимательный и актуальный контент, который заставит вас задуматься. Мы обсуждаем насущные вопросы и проблемы, а также освещаем истории, которые вдохновляют на действия и изменения. Узнайте, что стоит за событиями нашего времени!
    Почему это важно? – http://bywayofthemooncitra.cf/post/34

  24. Эта статья для ознакомления предлагает читателям общее представление об актуальной теме. Мы стремимся представить ключевые факты и идеи, которые помогут читателям получить представление о предмете и решить, стоит ли углубляться в изучение.
    Обратитесь за информацией – https://www.ilquadernoedizioni.it/la-costituzione-siamo-noi-nuovo-arriva-de-il-quaderno-edizioni

  25. В этой статье вы найдете познавательную и занимательную информацию, которая поможет вам лучше понять мир вокруг. Мы собрали интересные данные, которые вдохновляют на размышления и побуждают к действиям. Открывайте новую информацию и получайте удовольствие от чтения!
    Обратитесь за информацией – https://alfaisalengineering.com/emergency-electrical-repairs-what-to-do-before-the-pros-arrive

  26. В этом обзорном материале представлены увлекательные детали, которые находят отражение в различных аспектах жизни. Мы исследуем непонятные и интересные моменты, позволяя читателю увидеть картину целиком. Погрузитесь в мир знаний и удивительных открытий!
    Провести детальное исследование – https://zilberman.com/usability-secrets-to-create-better-user-interfaces

  27. Эта статья предлагает живое освещение актуальной темы с множеством интересных фактов. Мы рассмотрим ключевые моменты, которые делают данную тему важной и актуальной. Подготовьтесь к насыщенному путешествию по неизвестным аспектам и узнайте больше о значимых событиях.
    Уточнить детали – https://f5fashion.vn/chia-se-56-ve-ao-so-mi-anh-the

  28. В этом информативном тексте представлены захватывающие события и факты, которые заставят вас задуматься. Мы обращаем внимание на важные моменты, которые часто остаются незамеченными, и предлагаем новые перспективы на привычные вещи. Подготовьтесь к тому, чтобы быть поглощенным увлекательными рассказами!
    Расширить кругозор по теме – https://373422.ru/?paged=23

  29. В этом информативном тексте представлены захватывающие события и факты, которые заставят вас задуматься. Мы обращаем внимание на важные моменты, которые часто остаются незамеченными, и предлагаем новые перспективы на привычные вещи. Подготовьтесь к тому, чтобы быть поглощенным увлекательными рассказами!
    Осуществить глубокий анализ – https://academiaip.ru/?paged=8&cat=1

  30. В этой статье собраны факты, которые освещают целый ряд важных вопросов. Мы стремимся предложить читателям четкую, достоверную информацию, которая поможет сформировать собственное мнение и лучше понять сложные аспекты рассматриваемой темы.
    Не пропусти важное – https://www.schalander.se/sid-1-pingvin

  31. Предлагаем вашему вниманию интересную справочную статью, в которой собраны ключевые моменты и нюансы по актуальным вопросам. Эта информация будет полезна как для профессионалов, так и для тех, кто только начинает изучать тему. Узнайте ответы на важные вопросы и расширьте свои знания!
    Открыть полностью – https://zdrav-pro.cz/orteza1

  32. Мы собрали для вас самые захватывающие факты из мира науки и истории. От малознакомых деталей до грандиозных событий — эта статья расширит ваш кругозор и подарит новое понимание того, как устроен наш мир.
    Расширить кругозор по теме – https://www.grandmorin.fr/serons-presents-midest-2016/midest-500

  33. Мы собрали для вас самые захватывающие факты из мира науки и истории. От малознакомых деталей до грандиозных событий — эта статья расширит ваш кругозор и подарит новое понимание того, как устроен наш мир.
    Секреты успеха внутри – https://f5fashion.vn/tong-hop-77-ve-hinh-nen-powerpoint-nen-trang

  34. Эта публикация дает возможность задействовать различные источники информации и представить их в удобной форме. Читатели смогут быстро найти нужные данные и получить ответы на интересующие их вопросы. Мы стремимся к четкости и доступности материала для всех!
    Посмотреть подробности – https://quantum3d.com/download

  35. Этот интересный отчет представляет собой сборник полезных фактов, касающихся актуальных тем. Мы проанализируем данные, чтобы вы могли сделать обоснованные выводы. Читайте, чтобы узнать больше о последних трендах и значимых событиях!
    Почему это важно? – https://zebra.pk/product/university-of-okara-okara-city

  36. Мы собрали для вас самые захватывающие факты из мира науки и истории. От малознакомых деталей до грандиозных событий — эта статья расширит ваш кругозор и подарит новое понимание того, как устроен наш мир.
    Как достичь результата? – https://f5fashion.vn/tong-hop-59-ve-hinh-nen-hoa-anh-dao-cho-iphone-hay-nhat

  37. Эта статья для ознакомления предлагает читателям общее представление об актуальной теме. Мы стремимся представить ключевые факты и идеи, которые помогут читателям получить представление о предмете и решить, стоит ли углубляться в изучение.
    Углубиться в тему – https://mueblesjmunoz.es/fabrica-de-armarios-a-medida

  38. Эта статья сочетает познавательный и занимательный контент, что делает ее идеальной для любителей глубоких исследований. Мы рассмотрим увлекательные аспекты различных тем и предоставим вам новые знания, которые могут оказаться полезными в будущем.
    Получить дополнительную информацию – https://vyvod-iz-zapoya-1.ru/

  39. Wymagania Obrotu: Prosimy pamiętać, że przed zleceniem wypłaty od Slotika Kasyno w Polsce konieczne jest spełnienie wymogu trzykrotnego obrotu kwotą depozytu. Oznacza to, że suma postawionych zakładów powinna wynosić co najmniej trzykrotność wpłaconych środków. Dzięki temu możemy zapewnić uczciwość gry i zgodność z naszym regulaminem.

    https://www.kasiaorwat.pl/

  40. Wybierając Casino Slottica Polska, zyskujesz dostęp do ekskluzywnych promocji, w tym bonusu powitalnego 250 do 1600 zł oraz 300 darmowych spinów na najpopularniejsze gry. Niezależnie od tego, czy grasz na komputerze, tablecie czy smartfonie, nasza platforma zapewnia płynne działanie na każdym urządzeniu. Sprawdź już dziś i dołącz do społeczności ponad 500 000 aktywnych graczy z całego świata!

    http://www.agisko.pl/

  41. You actually make it seem so easy with your presentation but I find this matter to be actually something that I think I would never understand. It seems too complicated and extremely broad for me. I’m looking forward for your next post, I will try to get the hang of it! Here is that site. Thanx!

  42. Hiya, I am really glad I have found this information. Today bloggers publish only about gossips and internet and this is really frustrating.

  43. [url=https://fastpriligy.top/]priligy dapoxetine 60mg[/url] The excerpt spells out in vivid detail what attracted Bonds to performance- enhancing drugs his intense jealousy of McGwire s 70- home run season and the national hero worship it created

  44. I was surprised He wasn’t angry. He said,” boy you wait here, I am going to the bathroom.” He closed the door. He must sit on the toilet with pants down because I heard him losing the belt but didn’t hear him peeing. After a while, he called my name,” get in here ass sniffing slut.” I opened the door and crawled to the side of daddy. Daddy was still sitting on the toilet. . Just when I was confused why he sat that and did nothing. He stood up and pulled his pants up. I did take a peep of daddy’s huge uncut Middle Eastern dick. Half hard like 7inches already. While he was doing that, he grabbed my hair pushed right into the toilet, and closed the lid. “ smell my ass from there boy when it is still fresh.” He paused and continued, “ Don’t move.” “Stoke your cock while you sniff that jock.”

  45. “Yes, sir.” He says as he straightens up, standing erect as his member pulses to life between his legs, and in his father’s right hand, which are firmly locked on his balls. “Yes, sir, I do.” The now lukewarm water streams through the curls of his hair rinsing away the last vestiges of the soapy lather. It all goes down the drain in a swirl of bubbles.

  46. The one shower after his workout and practice had been a good start. But the walk home had tired him. But the massaging jets of water caressing across his muscular frame takes the weariness from his bones from this stressful day. porn sex “Maybe his dad is right.” He thinks to himself as he continues with his intense fondling of his fiery red cock.

  47. * * * Get your Free Bitcoin: http://camlockcouplings.net/uploads/seuy3s.php * * * hs=e0f61dd86ca0640a9df091c1b438f42e*说道:

    7h3iam

联系我们

联系我们

(44)07934433023

在线咨询: QQ交谈

邮箱: info@bioengx.org

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部