淀粉是碳水化合物的一种储存形式，是人类饮食中卡路里的主要来源。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。基于此，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员利用一种化学-生物混合路径，首次在无细胞系统中由二氧化碳（CO2）和氢人工合成了淀粉。其中，采用了一种类似“搭积木”的方式，通过计算路径，模块组装和替代建立，并通过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程优化，构成了由11个核心反应组成的人工淀粉合成代谢途径（ASAP）。在具有空间和时间分离的化学酶系统中，ASAP在氢的驱动下，以每毫克总催化剂每分钟22纳摩尔CO2的速率将CO2转化为淀粉，比玉米中的淀粉合成速率高约8.5倍，这种方法为未来从CO2合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。相关论文以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”于9月24日发表在Science。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049
淀粉颗粒中的直链淀粉和支链淀粉聚合物由通过α-1,4-糖苷键线性连接的葡萄糖残基链组成，在支链淀粉的情况下通过α-1,6-糖苷键的分支点链接。其中，绿色植物中的淀粉合成涉及大约60个步骤和复杂的调控。虽然在提高植物生产的淀粉效率方面已作出许多努力，但光合作用的效率低下和淀粉合成的复杂性仍然存在。与此相反，合成生物学的进展使得合成系统的设计和构建能够更有效地固定二氧化碳和化学生产。受光合作用中心原理的启发，已经开发出优异的化学催化剂，以更有效地从太阳能和水中提供电子或氢，从而将CO2还原为简单的化学品。在本研究中，作者使用CO2还原催化剂，其产生还原的一个碳（C1）单元作为无细胞淀粉合成的化学酶途径的输入。选择甲酸和甲醇作为候选中间体，以连接可能的化学催化剂和生物酶，利用甲醛酶（fls）来设计和构建来自候选C1中间体的淀粉合成途径的酶促部分。通过组合算法从甲酸或甲醇中起草了两条简明的淀粉合成途径。原则上，淀粉可以通过CO2与甲酸或甲醇作为C1桥接中间体的九个核心反应来合成。同时，采取了模块化组装和替代的策略。两种淀粉合成途径被分为更易于管理的模块，包括一个C1模块（用于甲醛生产），一个C3模块（用于3-磷酸d-甘油醛生产）、一个C6模块（用于d-葡萄糖6-磷酸生产）和Cn模块（用于淀粉合成）。作者推测，节能但在热力学上不利的C1模块产生的甲醛可能无法为C3a模块中fls的关键反应提供材料。因此，构建了具有热力学上更有利的反应级联反应的替代C1模块。在热力学上最有利的C1e模块成功地与C3a模块组装在一起，并且从甲醇中获得了更高的C3化合物产率。在计算路径设计的帮助下，通过组装和替换由来自31个生物体的62种酶构成的11个模块，作者建立了人工淀粉合成代谢途径（ASAP）1.0，其中有10个以甲醇为起始的酶促反应。ASAP 1.0 的主要中间体和目标产物通过同位素13 C 标记实验检测到，验证了其从甲醇合成淀粉的全部功能。（文：Doublenine）
