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变废为粮!将玉米秸秆高效合成淀粉和蛋白

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  联合团队利用包含纤维素降解酶和淀粉合成酶的体外多酶分子体系,与酿酒酵母进行生物转化,可以把玉米秸秆中的纤维素高效酶水解合成人造淀粉,同时在有氧条件下低成本发酵生产微生物蛋白。

  ◎本报记者 马爱平

  全球人口的快速增长和气候变化将使人类面临粮食安全的巨大挑战。利用合成生物技术将农业废弃物资源高效转化为人造粮食则是缓解粮食危机,实现农业可持续发展的重要途径之一。

  近日,中国科学院天津工业生物技术研究所联合中国农业科学院生物技术研究所,开发了一种利用玉米秸秆高效生物合成人造淀粉和单细胞蛋白的新技术,进一步降低了人造淀粉的生产成本,为粮食生产提供了新的途径。相关研究论文在线发表于《科学通报》(英文版)。

  用木质纤维素生产淀粉有望缓解粮食危机

  全球每年会产生约2000亿吨木质纤维素,由于每吨木质纤维素含有约40%的纤维素,因此每年约有800亿吨的纤维素产生。

  “人类可以消化α-1,4-糖苷键连接而成的葡聚糖,即淀粉,但由于人体缺乏纤维素水解酶,因此无法从木质纤维素中消化由β-1,4-糖苷键连接而成的葡聚糖如纤维素。如果能将β-1,4-糖苷键连接组成的葡聚糖通过酶促反应转化为α-1,4-糖苷键连接组成的葡聚糖,即利用非食品生物质生产淀粉有望缓解粮食危机,对于人类来说将是一个重大利好。”论文通讯作者之一、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和说。

  开发体外多酶分子体系提高人造粮食生产效率

  该研究利用包含纤维素降解酶和淀粉合成酶的体外多酶分子体系,与酿酒酵母进行生物转化,可以把玉米秸秆中的纤维素高效酶水解合成人造淀粉,同时在有氧条件下低成本发酵生产微生物蛋白。

  “在这项研究中,我们首次创建了低成本的从商业化纤维素酶中去除β-葡萄糖苷酶的高效纤维素降解及纤维二糖生成技术,有效地从纤维素酶混合物中去除了β-葡萄糖苷酶,使用纤维素—酶—酵母复合物减轻了纤维素水解产物的反馈抑制,提高纤维素酶水解能力。”论文通讯作者之一、中国农业科学院生物技术研究所研究员张伟说。

  论文通讯作者之一、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张以恒说:“传统生物制造需依赖活的生物体如微生物、植物和动物等,但大量能量和糖资源却用于与生物制造无关的生物自我繁殖、复制以及生命维持,制约了制造效率的提升。体外多酶分子体系是一种合成生物学新工具,完全避免了上述不必要的浪费,极大地提高了能源利用率,就如农业生产中的机械代替耕牛,使得人造粮食的高生产效率成为可能。”

  “该研究重要的技术突破之一是低成本制备胞内重组酶,团队改造了重组酶表达菌株,使用廉价无机氮源和葡萄糖培养基,以超高密度进行微生物培养,将关键重组酶生产成本降低到接近最低理论值,实现每公斤重组酶(干重)生产成本仅250元,相对于实验室摇瓶发酵和常规酶纯化技术,降低酶成本100万倍左右;突破之二是在利用现有低成本纤维素酶的基础上,采用新技术去除β-葡萄糖苷酶后即可高效、稳定可控地水解纤维素,其成本相较昂贵的纯化纤维素酶降低近100万倍。”张以恒说。

  这种新技术为生产人造粮食开辟了新途径,做到了以前沿新技术端牢中国饭碗,实现“藏粮于技、藏粮于山、藏粮于林”,有望解决粮食储存的经济困局,夯实中国粮食安全根基。

【编辑:房家梁】
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