利用從農(nóng)業(yè)中獲得的玉米等生物質(zhì)糖進行生物制造作為一種環(huán)保技術(shù)正在引起人們的關(guān)注。然而，相對于燃料和化工產(chǎn)品生產(chǎn)的巨大需求，此類傳統(tǒng)生物質(zhì)糖的供應(yīng)有限，導(dǎo)致人們擔心工業(yè)用途的擴大會與食品競爭。

現(xiàn)在，在最近發(fā)表在《ChemBioChem》上的一項研究中，大阪大學(xué)的研究人員和合作伙伴開發(fā)了一種利用化學(xué)合成的非天然糖作為原材料的創(chuàng)新生物制造技術(shù)，以解決上述問題(圖1)。他們利用細菌(谷氨酸棒桿菌、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(圖2)。這是世界上首例以合成糖為原料進行生物制造的案例。這一成就將有助于采購不與食品競爭的可持續(xù)原糖，并有望進一步擴大生物制造。

自工業(yè)革命以來，過度使用化石燃料及其產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)排放引起的氣候變化是21世紀的全球挑戰(zhàn)。生物制造被視為解決這些問題的有效手段之一，其實施正在積極推進。當前生物制造中主要原材料(第一代生物質(zhì))的生產(chǎn)依賴于玉米種植等農(nóng)業(yè)過程。然而，人們擔心第一代生物質(zhì)的供應(yīng)可能會與糧食競爭，因為它無法滿足對燃料和化工產(chǎn)品生產(chǎn)的巨大需求。此外，大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)糖還存在負面影響，例如土地使用、淡水、氮、磷等消耗性資源的大量消耗、富營養(yǎng)化造成的水污染以及生物多樣性的喪失。

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)糖合成具有許多優(yōu)點，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)，例如抑制細菌生長的因素的存在。

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抑制因子，并表明它們可以通過二次催化處理去除(圖3a)。此外，通過在限氧條件下進行發(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)。這是世界上第一個使用農(nóng)業(yè)獨立的合成糖作為底物進行生物生產(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)場生產(chǎn)的化學(xué)合成糖，有望解決生物制造中與食品競爭、區(qū)域依賴、大規(guī)模利用枯竭資源等原料供應(yīng)問題。并有望成為該領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者。