近日，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所微生物与酶工程科技创新团队开发了一种不依赖光合作用、无ATP消耗的体外酶级联途径——碳经济型淀粉合成（CESS）途径，实现了纤维素向淀粉的定向转化。相关研究成果发表在《工程（Engineering）》上。
淀粉是自然界主要的储能多糖，但传统的淀粉生产依赖作物种植，受光合效率、耕地及气候波动等因素限制。纤维素作为地球上最丰富的非食用生物质，是生产淀粉的理想原料。虽然体外多酶催化系统在纤维素转化方面展现出潜力，但长期以来受限于核心酶催化效率低、底物选择性差、反应可逆以及传统ATP依赖型活化成本过高等瓶颈，导致碳流失严重，难以工业化应用。
为解决上述难题，研究团队构建了无需添加ATP的PPGK-PGM-αGP酶级联系统。通过蛋白质理性设计，成功开发出核心限速酶αGP的新突变体TpαGPM7，其催化效率提升了4.54倍，并具有更强的热稳定性。同时通过晶体结构分析与分子动力学模拟，揭示了金属离子辅因子Mn²⁺调节PhsPGM底物偏好并驱动可逆反应平衡向合成方向移动的分子机制。
实验结果显示，优化后的酶级联系统在60 ℃的高温条件下运行平稳，不仅加快了反应速率，还显著降低了杂菌污染风险。该体系实现了高达71.93%的淀粉转化率，时空产率达到2.33 g/L/h，碳损失控制在30%以下。该研究为非光合作用合成淀粉提供了新策略，为农业废弃物的高值化利用提供了高效的酶学工具包，对保障全球粮食安全及推动循环生物经济具有重要意义。
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所微生物与酶工程科技创新团队的博士研究生沈怡雯为论文的第一作者，涂涛研究员、罗会颖研究员、黄火清研究员为论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809926003620
