淀粉是主要的食品成分和工業原料，全球每年對淀粉的需求量超過 1.2 億噸。人口增長、消費升級以及工業應用中對淀粉的需求正在不斷增加，傳統的淀粉供應方式將無法滿足日益增長的需求。

近年來，二氧化碳電轉化技術不斷取得突破。在這個過程中，隨著可再生電力的消耗，二氧化碳被電催化成液態富含能量的 C1/C2 化學物質，如甲酸鹽和乙酸鹽，然后通過酶催化或微生物轉化將這些短鏈底物轉化為更復雜的化合物。

近日，中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和等人通過重新連接淀粉生物合成和糖異生途徑，并調節細胞形態，將產油酵母 Yarrowia lipolytica 改造為高效的淀粉生物合成工廠，將二氧化碳電解產生的乙酸鹽轉化為淀粉。

相關文章以題為“Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing”發表在 Nature Communications。

圖 | 人工酵母細胞工廠促進二氧化碳高效合成淀粉

由于存在 UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷轉移酶和糖原合酶，Y. lipolytica 菌株能夠自然積累淀粉/糖原，它們將葡萄糖-1-磷酸 (G1P) 通過 UDP-葡萄糖轉化為直鏈淀粉。但當其以乙酸鹽作為底物時，淀粉產量非常低（30.48 mg/L）。

為了提高野生菌株的淀粉生產能力，團隊引入了異源淀粉生物合成途徑(SBP)，該途徑由乙酸鹽條件下的強 GPD 和 TEF 啟動子驅動的葡萄糖-1-磷酸腺苷轉移酶和淀粉合酶。

攜帶來自 Cereibacter sphaeroides 的 SBP 的工程菌株 ST503 積累的淀粉水平明顯較高，高達 133.08 mg/L；攜帶來自大腸桿菌和聚球藻的 SBP 的工程菌株積累了不同水平的淀粉，達到 244.95 mg/L和 585.43 mg/L；帶有一個大腸桿菌 SBP 拷貝和三個球形芽孢桿菌 SBP 拷貝的ST587 菌株，其淀粉產量分別達到 379.85 mg/L 和 704.34 mg/L。證明了使用合成的 Y. lipolytica 菌株進行基于低碳制造的淀粉生產的可行性。

當碳源充足時，淀粉會積累；營養不足的情況下，淀粉分解支持菌株的活動。理論上，增加 G1P 的代謝通量并消除淀粉降解將有利于提高淀粉的積累。最終，通過刪除 ST594 中的糖原脫支酶和海藻糖 6-磷酸合酶/磷酸酶編碼基因，以減少淀粉分解代謝并增加 UDP-葡萄糖供應，得到的 ST1266 菌株，其淀粉產量高達 593.99 mg/L。

通過細胞形態工程，團隊消除了二態型 Y. lipolytica 菌株的菌絲形成能力，并驗證了橢圓形細胞會顯著限制細胞大小和淀粉含量。通過分別操縱特定基因刺激菌絲形成，包括 SRG1、MBP122、HCP1/2、PFS1和MHY123。所得菌株顯著刺激了菌絲生長、細胞增大，并且積累了 10.69-36.05% 更高的淀粉。

圖 | 菌絲形態使細胞空間更大，提高淀粉的積累

在以乙酸鹽為唯一碳源的礦物質培養基中培養三株代表性菌株：野生型ST015、工程菌株 ST587（實現了異源 SBP 途徑）和 ST1271（實現異源SBP途徑，并對其進行了細胞形態改變和合成代謝和分解代謝重塑），以獲得含淀粉的細胞，并稱之為“微粒”。

在 ST587 和 ST1271 細胞中，總淀粉含量分別達到最高 290.94 和471.82 mg/g DCW。值得注意的是，不同菌株生成的淀粉組成存在差異：抗性淀粉比例從 0.99% 到 23.00% 不等。進一步培養 ST1271 菌株，120 小時后，該菌株積累了 19.30 g/L 淀粉，由此產生的時空淀粉生產力比小麥/玉米/水稻培養的速率高約 50 倍。通過微粒培養生產的淀粉濃度和速率也比其他微生物的淀粉生產高出一個數量級。

圖 | 各種淀粉生產路線比較

通過補料分批發酵生產的微粒含有穩定比例的低聚合和高聚合淀粉，但不含抗性淀粉。通過不同培養過程生產的微粒中不同的淀粉組成模式是可重復的，這表明通過菌株和發酵過程的工程改造，有可能生產具有定制淀粉組成的微粒。

此外，團隊還將底物擴展到了乙酸鹽之外，通過提供乙酸鹽和水解秸稈衍生的葡萄糖，建立了一條微生物秸稈到淀粉的轉化途徑，在乙酸鹽存在的情況下，它能夠將葡萄糖轉化為富含淀粉的微粒。與單獨使用乙酸鹽相比，碳轉化為淀粉的產量提高了 2.8 倍。

通過代謝組學和轉錄組學分析，研究團隊還探索了工程酵母積累淀粉的機制和關鍵調節因子。在 ST587 和 ST1271 菌株中，參與乙酸鹽同化、乙醛酸循環和糖異生途徑的淀粉中間代謝物均急劇減少；轉錄分析表明，參與乙酸轉運、乙酸同化和糖異生的基因表達同時降低。

總而言之，這項研究通過合成生物學驅動的菌株定制，用短鏈碳 (C1-C4) 原料培養的微粒子中淀粉含量高達 47.18%，這種定制方法以更快的速度模擬了作物馴化。作者預計，隨著技術的發展，很快就能調節微顆粒成分的特定特性（如淀粉硬度、粘性和糊化程度），甚至將微顆粒開發為所需的全營養食品資源，例如定制營養粉。此外，需要進一步的技術進步和資源整合，以解決現階段合成路徑的高成本，并提高工藝效率和可擴展性。

1.Shi, Z., Xu, Z., Rong, W. et al. Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing. Nat Commun 16, 2784 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58067-z

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