全球首个以“化学合成糖”为唯一底物发酵合成乳酸的研究

化石燃料的过度使用和温室气体排放造成的气候问题是人类社会当前面临的主要挑战之一。合成生物学技术的发展为解决全球气候问题提供了新思路，比如“生物制造”，即借助细菌（或工程菌）发酵生产各种高值产物已被视为克服这些挑战的一种有效手段。

在生物制造过程中，底物通常以生物质糖类为主，比如葡萄糖、淀粉等，而这些生物质糖主要通过农作物（比如玉米）进行获取，因此开展规模化的生物制造需要大量底物原料，进而引发粮食竞争。

近期，日本大阪大学研究团队开发出一种不依赖于生物质糖的生物制造方法，使用化学合成的非天然糖作为唯一底物，通过谷氨酸棒状杆菌发酵生产乳酸，有望解决生物制造中生物质糖供应和粮食竞争等问题。目前，这项研究成果已经以“Microbial Biomanufacturing Using Chemically Synthesized Non-Natural Sugars as the Substrate”为题发表在 ChemBioChem 上。

图1 研究发表截图 

来源：ChemBioChem

通过生物制造生产高值产物（比如生物化学品、生物燃料和食品），生物质糖是一种必不可少的底物原料。传统的生物制造的底物原料依赖农业种植，随着全球对生物燃料和化学产品需求的攀升，生物质糖的供应难以满足工业需求缺口，并且还会由于工业用途的大量供应而与粮食产生竞争。

虽然扩大农业种植规模可以获取更多生物质糖，但这又会造成土地占用、淡水、氮和磷等资源的大量消耗、富营养化造成的水污染以及丧失生物多样性等一系列负面影响。

相较于传统生物质糖，化学合成糖具有许多优点，比如，合成速率较快，比农业种植生产过程至少快数百倍；并且水的用量和土地占用较少，分别为农业种植生产过程的 1/1300 和 1/600，此外化学合成糖还不需要消耗氮、磷等资源。

然而，化学合成糖是一种混合物，含有大量自然界中不存在的化合物，会使微生物的生长受到抑制，因此这种合成的非天然糖溶液难以作为底物用于生物制造，而这也是限制化学合成糖在大规模生物制造中所面临的障碍。

图2 研究概览

来源：ChemBioChem

大阪大学 Nakanishi Shuji 团队的研究主要围绕不依赖于农业的化学合成糖在生物制造工艺中的应用，他们开展此次研究的目的，旨在探索微生物通过化学合成糖发酵生产高值产物的可行性。

在这项研究中，他们首先以谷氨酸棒状杆菌为底盘细菌，构建出以化学合成糖为底物的稳定培养方法。谷氨酸棒状杆菌属于革兰氏阳性真细菌下的放线纲棒状杆菌属，数十年来其已被用于大规模氨基酸发酵工业生产。

此次研究选择谷氨酸棒状杆菌作为底盘，主要是由于该菌具备很多生理特性有利于发酵生产，比如，由于没有碳分解代谢物的抑制作用，通过引入适当的基因突变可以同时使用各种糖混合物（比如己糖和戊糖）作为底物，此外，该菌对有毒的醇类和芳香族化合物具有较高的耐受性。

在发酵过程中，他们发现由一系列化学反应产生的生长抑制因子（某些单糖）会阻碍微生物生长，然后他们鉴定出合成糖溶液中的生长抑制因子并证实可利用二次催化的方法进行去除。试验表明，通过催化处理去除生长抑制因子后可显著提高微生物生长速率。

图3 以化学合成糖为底物的细菌生长曲线和有机酸发酵的定量结果

来源：ChemBioChem

通常情况下，谷氨酸棒状杆菌在缺氧条件下能够以葡萄糖为底物合成乳酸。而在这项研究中，他们使用谷氨酸棒状杆菌，以化学合成糖溶液作为唯一的底物，在缺氧条件下发酵生产乳酸，产率约为 10.2%，其他副产物包括琥珀酸盐、醋酸盐和少量的富马酸盐等。

他们进一步研究发现，谷氨酸棒状杆菌的乳酸发酵利用糖酵解过程中产生的丙酮酸，而丙酮酸位于糖酵解代谢途径的末端，这意味着这种策略可以广泛地应用于通过糖酵解代谢途径的生物制造中，比如，在大肠杆菌或酵母菌中也可以实现以合成糖为底物的生物制造。

图4 以化学合成糖为底物发酵生产乳酸

来源：ChemBioChem

接下来，研究团队计划对这种生物制造过程进行规模扩大，他们表示，虽然现阶段（与葡萄糖相比）以合成糖为底物生产乳酸的产率较低，但这可以通过合理设计糖合成的催化过程来进行提升，比如添加具有稳定糖能力的硼酸可能是抑制糖产物降解的有效途径，此外，构建能够更有效利用合成糖的突变菌株也是提高产率的有效方法。

值得注意的是，这项研究是全球首次使用化学合成糖进行的生物制造，证实了化学合成糖也可以作为一种新的生物制造底物原料。未来，使用化学合成糖有望解决生物制造中的底物原料供应问题，包括与粮食竞争、区域依赖性以及资源额外占用等，为生物制造产业提供助力。

（责任编辑：PP）

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