聚3-羟基丁酸酯（PHB）是一种存在于多种微生物细胞内的碳源类贮藏物质，也是一种具有良好生物相容性和生物可降解性的生物基高分子材料。当前，微生物发酵法生产PHB的工艺较复杂，成本也相对较高，在一定程度上限制了PHB的规模生产和广泛应用。作为一种新型生物制造平台，体外生物转化（in vitro biotransformation）通过重构体外人工代谢途径，利用多种天然酶、人工酶以及辅酶等催化元件构建体外多酶分子机器（in vitro synthetic enzymatic biosystem）进行催化，摆脱生物体生长和繁殖的局限，实现大宗生化产品的高效生产。与微生物发酵相比，体外生物转化不仅具有副反应少、产品得率高、反应速度快、反应系统易于调控等优点，且易于分离不可溶的产物，非常适合PHB的生产。国内外一些研究团队已构建出若干种利用不同初始底物，经由乙酰辅酶A生产PHB 的体外多酶分子机器。然而，一些系统由于依赖昂贵的三磷酸腺苷（ATP），导致不具有经济效益，难以扩大到工业规模。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心的游淳研究员带领团队，开发了一种通过体外生物转化，利用淀粉或其衍生物高效合成PHB的新方法。该团队设计并构建了一个包含17种酶、无需ATP的体外多酶分子机器，能够以麦芽糊精（淀粉的衍生物）为唯一底物，经由乙酰辅酶A实现一锅法生物合成PHB。研究团队通过化学计量分析表明，该体外多酶分子机器自身可维持 NADP⁺/NADPH 的平衡（无需辅酶调节模块），并且能够达到68.3%的理论重量得率和 133.3% 的理论摩尔得率，即每消耗3个葡萄糖当量的麦芽糊精可合成4个单体当量的PHB。以100 mM葡萄糖当量（约16.8 g/L）的麦芽糊精为底物进行实验，通过拟合动力学模型进行优化，在大幅降低酶用量的同时，使PHB 的生产速率达到了9.4 mM单体当量/h（约0.8 g/L/h）。反应消耗了59.7 mM葡萄糖当量（约10.0 g/L）的麦芽糊精，生成74.9 mM单体当量（约6.4 g/L）的PHB，PHB基于麦芽糊精消耗的重量得率达到64.0%，接近理论重量得率（68.3%）。在此基础上，在反应后期添加两种辅助酶和多聚磷酸盐，可实现麦芽糊精的完全利用，生成118.8 mM单体当量（约10.2 g/L）的PHB。进一步地，当底物浓度翻倍至200 mM葡萄糖当量时，PHB产量相应地提高，达到208.3 mM单体当量（约17.9 g/L），这是迄今为止报道的利用体外生物转化合成PHB的最高产量。该研究不仅证明了体外生物转化在PHB的高效合成方面的潜力，而且在未来可通过改变下游反应路径，使用淀粉生产其他乙酰辅酶A的衍生化学品。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动的支持。相关研究结果近期发表于Nature Communications期刊。中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员魏欣蕾为论文第一作者，游淳研究员为论文通讯作者。

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利用麦芽糊精合成PHB的体外生物转化反应途径示意