大阪大學(xué)的研究人員和合作伙伴開發(fā)了一種使用化學(xué)合成的非天然糖作為原材料的創(chuàng)新生物制造技術(shù)（圖 1），并發(fā)表在 ChemBioChem 期刊上。這是世界上首例以合成糖為原料進(jìn)行生物制造的案例，這一成就將有助于采購(gòu)不與食品競(jìng)爭(zhēng)的可持續(xù)原糖，并有望進(jìn)一步擴(kuò)大生物制造。
團(tuán)隊(duì)使用谷氨酸棒桿菌，以合成糖溶液為唯一底物，成功發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。
使用化學(xué)合成糖作為底物的乳酸發(fā)酵。
該研究小組一直在研究不依賴農(nóng)業(yè)的化學(xué)合成糖以及將獲得的糖在生物過程中的應(yīng)用?；瘜W(xué)糖合成具有眾多優(yōu)勢(shì)，例如：（1）合成速率極高（至少比農(nóng)業(yè)過程快數(shù)百倍），（2）用水量少（約為農(nóng)業(yè)過程的1/1300），（3）更少使用土地（約占農(nóng)業(yè)過程的 1/600），以及（4）不需要磷和氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
然而，化學(xué)合成糖是含有許多自然界中不存在結(jié)構(gòu)的化合物的混合物。因此，在生物過程中使用合成的非天然糖溶液存在挑戰(zhàn)，例如抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的因素。
以化學(xué)合成糖為底物的細(xì)菌生長(zhǎng)曲線。額外的催化處理去除了生長(zhǎng)抑制劑并提高了生長(zhǎng)速率。(b) 使用合成糖作為底物的有機(jī)酸發(fā)酵的定量結(jié)果。僅當(dāng)添加合成糖時(shí)才觀察到乳酸的產(chǎn)生。
在本研究中，課題組建立了以化學(xué)合成糖為底物、以谷氨酸棒桿菌為模式菌的穩(wěn)定培養(yǎng)方法。他們還鑒定了合成糖溶液中的生長(zhǎng)抑制因子，并表明它們可以通過二次催化處理去除。此外，通過在限氧條件下進(jìn)行發(fā)酵，他們成功地使用合成糖溶液作為唯一底物發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，盡管自然界中不存在合成糖溶液（圖3b）。
這是世界上第一個(gè)使用農(nóng)業(yè)獨(dú)立合成糖作為底物進(jìn)行生物生產(chǎn)的案例。乳酸是通過丙酮酸產(chǎn)生的，丙酮酸位于糖酵解代謝途徑的末端。這意味著該方法可以廣泛且普遍地應(yīng)用于糖酵解生物制造。
這項(xiàng)研究結(jié)果表明，化學(xué)合成糖可以作為生物制造的新原料。使用可高速率、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的化學(xué)合成糖，有望解決生物制造中與食品競(jìng)爭(zhēng)、區(qū)域依賴、大規(guī)模利用枯竭資源等原料供應(yīng)問題。
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