利用从农业中获得的玉米等生物质糖进行生物制造作为一种环保技术正在引起人们的关注。然而，相对于燃料和化工产品生产的巨大需求，此类传统生物质糖的供应有限，导致人们担心工业用途的扩大会与食品竞争。
现在，在最近发表在《ChemBioChem》上的一项研究中，大阪大学的研究人员和合作伙伴开发了一种利用化学合成的非天然糖作为原材料的创新生物制造技术，以解决上述问题(图1)。他们利用细菌(谷氨酸棒杆菌、谷氨酸棒杆菌)，以合成糖溶液为唯一底物，成功发酵生产乳酸(图2)。这是世界上首例以合成糖为原料进行生物制造的案例。这一成就将有助于采购不与食品竞争的可持续原糖，并有望进一步扩大生物制造。
自工业革命以来，过度使用化石燃料及其产生的温室气体(GHG)排放引起的气候变化是21世纪的全球挑战。生物制造被视为解决这些问题的有效手段之一，其实施正在积极推进。当前生物制造中主要原材料(第一代生物质)的生产依赖于玉米种植等农业过程。然而，人们担心第一代生物质的供应可能会与粮食竞争，因为它无法满足对燃料和化工产品生产的巨大需求。此外，大规模农业生产糖还存在负面影响，例如土地使用、淡水、氮、磷等消耗性资源的大量消耗、富营养化造成的水污染以及生物多样性的丧失。
该研究小组一直在研究不依赖农业的化学合成糖以及将获得的糖在生物过程中的应用。化学糖合成具有许多优点，例如(1)合成速率极高(至少比农业过程快数百倍)，(2)用水量少(约为农业过程的1/1300)，(3)更少使用土地(约占农业过程的 1/600)，以及(4)不需要磷和氮等营养物质。然而，化学合成糖是含有许多自然界中不存在结构的化合物的混合物。因此，在生物过程中使用合成的非天然糖溶液存在挑战，例如抑制细菌生长的因素的存在。
在本研究中，课题组建立了以化学合成糖为底物、以谷氨酸棒杆菌为模式菌的稳定培养方法。他们还鉴定了合成糖溶液中的生长抑制因子，并表明它们可以通过二次催化处理去除(图3a)。此外，通过在限氧条件下进行发酵，他们成功地使用合成糖溶液作为唯一底物发酵生产乳酸，尽管自然界中不存在合成糖溶液(图3b)。这是世界上第一个使用农业独立的合成糖作为底物进行生物生产的案例。乳酸是通过丙酮酸产生的，丙酮酸位于糖酵解代谢途径的末端。这意味着该方法可以广泛且普遍地应用于糖酵解生物制造。
这项研究结果表明，化学合成糖可以作为生物制造的新原料。使用可高速率、现场生产的化学合成糖，有望解决生物制造中与食品竞争、区域依赖、大规模利用枯竭资源等原料供应问题。并有望成为该领域的游戏规则改变者。
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