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糧食自主供給是保障經濟社會穩定發展的關鍵。淀粉與蛋白是糧食的主要成分，也是重要的工業原料。隨著工業生物技術的快速發展，以秸稈、二氧化碳等可再生碳源，通過生物制造技術規模合成淀粉、蛋白等營養物質成為可能，已成為國際生物技術競爭的焦點。

近日，中國科學院天津工業生物技術研究所體外合成生物學中心與中國農業科學院生物技術研究所合作，在以玉米秸稈為底物，高效合成淀粉和微生物蛋白方面取得新進展。前期，攻關團隊圍繞秸稈制淀粉，按照纖維素水解、纖維二糖磷解與聚合的思路，設計創制了秸稈制淀粉的多酶分子機器，重構了體外人工代謝轉化途徑，突破了纖維素β-1,4糖苷鍵定向重排為淀粉a-1,4糖苷鍵轉化等的關鍵問題，實現了從纖維素轉化合成為淀粉。然而，這條路線面臨生物轉化過程中底物能量利用效率低、轉化速度慢、成本高等問題，且與產業化應用有較大距離。圍繞該路線經濟可行性提升，科研團隊潛心攻關，設計改造多酶分子機器核心元件，優化合成線路，提升了秸稈轉化淀粉的效率，為推進產業化應用奠定了基礎。

研究團隊通過系統設計改造重組酶表達菌種，選用廉價無機氮源降低培養基成本，開發高密度微生物培養等技術，將纖維二糖磷酸化酶、a-葡聚糖磷酸化酶等重組酶生產成本降低到250元/公斤。該團隊將制備預處理的秸稈生物質或固態預處理的纖維素作為親和吸附介質，簡單、高效選擇性吸附纖維素酶中的內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶，高效去除了纖維素酶中β-葡萄糖苷酶，實現了秸稈纖維素的高效定向降解以及纖維素水解效率的提高。研究將纖維二糖磷酸化酶和a-葡聚糖磷酸化酶固定在釀酒酵母表面，有效利用纖維素水解中間產物葡萄糖，解除了葡萄糖對纖維素酶的抑制效應，提升了纖維素酶水解能力，并降低了纖維素酶用量。科研人員將纖維素水解產生的葡萄糖通過酵母好氧發酵利用，實現了微生物蛋白聯產，降低了轉化路線的綜合成本。