在当今全球面临诸多挑战的形势下，淀粉作为人类最重要的碳水化合物之一，其生产方式的可持续性正受到前所未有的关注。传统淀粉生产主要依赖于农作物种植，这不仅需要大量耕地，还面临着气候变化、资源短缺和环境污染等问题。随着全球人口增长和消费升级，淀粉的需求量不断增加，传统生产方式的可持续性受到严峻挑战。目前，全球每年的淀粉需求量超过1.2亿吨，而传统农作物种植方式不仅效率低下，还受到季节、气候和土地资源的限制。此外，农业生产过程中大量的化肥和农药使用，也对环境造成了负面影响。

与此同时，全球对低碳经济的追求以及合成生物学和生物技术的快速发展，为淀粉生产的变革带来了新的机遇。二氧化碳电转化技术的突破，使得将二氧化碳转化为富含能量的短链碳化合物（如乙酸盐）成为可能。这些短链碳化合物可以作为微生物合成复杂有机物的原料，从而实现淀粉的高效生产，同时减少对传统耕地的依赖。这一技术不仅能够有效利用二氧化碳这一温室气体，还能降低生产过程中的碳排放，符合全球低碳经济的发展趋势。

酵母菌作为一种常见的微生物，具有生长快速、代谢多样和易于改造的特点，是理想的微生物宿主。通过对其代谢途径进行重编程，有望将其改造为高效的淀粉合成工厂。这一研究方向不仅有望解决传统淀粉生产的资源瓶颈，还为未来食品和工业原料的生产提供了新的思路，也为实现可持续发展目标开辟了新的路径。

近日，中科院天津工业生物所马延和研究员、王国坤研究员和蔡韬研究员在Nature Communications发表题为“Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing”的研究性论文。该研究通过代谢工程改造酵母菌，利用二氧化碳电转化生成的乙酸盐作为底物，成功实现了高效淀粉合成，为淀粉的低碳、可持续生产提供了一种新方法。

图1 文献基本信息

在本研究中，研究人员以产油酵母Yarrowia lipolytica为宿主，通过一系列代谢重编程和基因改造手段，将其改造为高效的淀粉合成工厂。首先，研究团队引入了异源淀粉生物合成途径（Starch Biosynthesis Pathway, SBP），该途径由强启动子驱动的葡萄糖-1-磷酸腺苷转移酶（GlgA）和淀粉合酶（GlgB）组成，以增强酵母菌的淀粉合成能力。随后，研究人员通过过表达或删除与糖异生和乙醛酸循环相关的基因，抑制竞争性分流的基因，以及删除淀粉降解相关基因，进一步优化了酵母菌的代谢网络，从而提高了淀粉的积累效率。

为了深入理解改造后的酵母菌株在淀粉合成过程中的代谢变化，研究人员采用了代谢组学和转录组学分析方法。代谢组学分析揭示了在高淀粉产量菌株中，参与乙酸盐同化、乙醛酸循环和糖异生途径的淀粉中间代谢物显著减少，表明改造后的代谢网络能够更高效地将碳源导向淀粉合成途径。转录组学分析则显示，相关基因的表达水平也发生了显著变化，进一步证实了代谢重编程的有效性。

在实验设计方面，研究人员构建了多个不同改造程度的酵母菌株，并分别以葡萄糖和二氧化碳电解产生的乙酸盐为底物进行培养。通过对比这些菌株在不同底物条件下的淀粉合成效率，研究人员能够系统评估代谢改造对淀粉合成的影响，并筛选出最优的菌株组合和培养条件。

图2 设计人工酵母细胞工厂以促进二氧化碳的高效淀粉合成

经过一系列代谢改造和优化，研究人员成功开发出了能够高效合成淀粉的酵母菌株。在以二氧化碳电解产生的乙酸盐为底物的条件下，改造后的酵母菌株ST1271的淀粉含量达到了干细胞重量的47.18%，淀粉产量高达19.30 g/L。其时空淀粉生产力为243.7 g/m²/d，比传统农作物种植高出约50倍。这一结果表明，通过代谢工程改造的酵母菌在淀粉合成效率上远超传统农业种植方式，为淀粉的低碳、可持续生产提供了有力的证据。

此外，研究人员还发现，通过菌株和工艺工程的进一步优化，可以实现淀粉组成和淀粉-蛋白质比例的可调性。这意味着改造后的酵母菌不仅可以高效合成淀粉，还能够根据不同的应用需求定制淀粉的特性，从而满足食品工业和生物材料等领域对淀粉性能的多样化要求。代谢组学和转录组学分析结果进一步揭示了改造后酵母菌株在淀粉合成过程中的代谢变化。在高淀粉产量的菌株ST587和ST1271中，参与乙酸盐同化、乙醛酸循环和糖异生途径的淀粉中间代谢物显著减少，表明低碳同化和转化速率的提高有助于确保高水平的淀粉合成。相关基因表达水平的变化也与代谢物的积累情况相一致，进一步证实了代谢重编程的有效性。

本研究通过合成生物学驱动的菌株定制，成功将产油酵母改造为高效的淀粉生物合成工厂，实现了淀粉的低碳、可持续生产。与传统农作物种植相比，该方法具有更高的淀粉生产力和能源效率。此外，通过菌株和工艺工程，还可以定制淀粉的组成和淀粉-蛋白质比例，为未来的营养食品开发提供了新的可能性。

这项研究为淀粉生产提供了一种全新的低碳、可持续的解决方案，减少了对传统耕地的依赖。未来，随着技术的进一步发展，有望通过调节微颗粒成分的特定特性（如淀粉硬度、粘性和糊化程度），将其开发为全营养食品资源。此外，该研究还展示了微生物在农业废弃物转化中的潜力，为实现可持续食品制造提供了新的思路。

参考文献：

Zhihui Shi, Zhaoyu Xu, Weihe Rong, et al. Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing. Nature Communications. (2025) 16:2784. DOI: 10.1038/s41467-025-58067-z.