慕尼黑工業(yè)大學（Technical University of Munich）研究團隊于6月17日在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表Zui新成果，成功開發(fā)出一種無細胞酶級聯(lián)（Cell-free enzyme cascade）技術。該系統(tǒng)無需依賴活體微生物，僅通過提取并重組特定酶蛋白，即可利用二氧化碳或甲醇直接人工合成甘氨酸、絲氨酸、L-天冬氨酸、L-纈氨酸、L-谷氨酸及L-脯氨酸等六種氨基酸。這一突破標志著氨基酸生產(chǎn)正從傳統(tǒng)農業(yè)發(fā)酵向純化學-生物混合制造轉型。

當前全球氨基酸市場規(guī)模已突破250億美元，廣泛應用于加工食品增鮮劑、營養(yǎng)補充劑及畜牧飼料添加劑?，F(xiàn)有主流工藝高度依賴大豆、玉米、甘蔗等作物提取的糖分進行微生物發(fā)酵。該模式雖被歸類為生物制造，但實質仍綁定龐大農業(yè)體系，伴隨熱帶雨林砍伐、淡水資源擠占及化石燃料衍生的化肥排放，全球農業(yè)溫室氣體貢獻率已達四分之一。無細胞系統(tǒng)的核心邏輯在于徹底剝離細胞代謝負擔，將碳源能量導向目標產(chǎn)物合成，同時規(guī)避甲醇及其代謝物甲醛對活細胞的毒性抑制。

模塊化路徑設計與跨物種酶協(xié)同

該模塊化工具采用“即插即用”架構，由三個功能單元串聯(lián)構成。第一單元負責C1碳固定，將甲醇氧化為甲醛后縮合為二碳或三碳中間體；團隊通過切換酶突變體調控C2與C3生成比例。第二單元引入埃納爾-杜德羅夫（Entner-Doudoroff）等中心代謝途徑生成酸，并自動再生NADH等輔因子。第三單元則通過氨基化反應完成Zui終氨基酸組裝。研究團隊借助KEGG、BioCyc數(shù)據(jù)庫及e熱力學計算工具逆向推演Zui優(yōu)路徑，跨物種拼接細菌、古菌與動物來源的數(shù)十種酶，在單一反應容器中實現(xiàn)多步反應同步。

實驗數(shù)據(jù)顯示，針對分子Zui小的二碳氨基酸甘氨酸，系統(tǒng)轉化率高達91%，超越既往同類研究水平。引入蘇氨酸醛裂解酶后，可進一步將路徑直通三碳氨基酸絲氨酸。五碳氨基酸L-纈氨酸轉化率達52%，L-天冬氨酸達23%。隨著目標分子結構復雜度上升，收率面臨顯著瓶頸。L-谷氨酸與L-脯氨酸的原料轉化率分別降至8%和2%。液相色譜-質譜聯(lián)用（LC-MS）代謝解析表明，核心前驅體比例失衡是主因：野生型甲醛合酶過度生成三碳中間體，導致二碳底物短缺，進而引發(fā)副反應大量生成L-丙氨酸。這提示下游工程商在選型時需重點關注酶動力學匹配度與中間產(chǎn)物分離成本。

粗原料耐受與放大工藝驗證

面向工業(yè)化放大，團隊完成了粗甲醇耐受性與雙反應器分步工藝的驗證。依托銅鋅鋁系催化劑的熱催化反應器直接制備甲醇水溶液，未經(jīng)蒸餾提純的17%粗甲醇水溶液可直接投入級聯(lián)反應，合成L-纈氨酸與L-天冬氨酸的效率與精制品持平。此舉大幅削減了后續(xù)建廠所需的精餾設備投資。采用兩階段分離策略后，高濃度甲醇與甲醛在首段轉化為二羥基，次段再投加氨基酸合成酶群，有效防止后半程酶失活?；|濃度提升十倍后，碳轉化率換算值達44%，理論產(chǎn)量較微孔板實驗提升七倍；L-天冬氨酸反應釜體積擴大七十五倍仍保持同等產(chǎn)率，驗證了工藝放大的穩(wěn)定性。

盡管概念驗證已跨越實驗室門檻，但產(chǎn)業(yè)化落地仍需攻克酶回收純化成本高昂的難題。游離態(tài)酶體系難以與終產(chǎn)物高效分離，未來需引入載體固定化技術以實現(xiàn)多輪循環(huán)使用。此外，系統(tǒng)中部分特殊酶尚未實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，初始固定步驟反應速率偏慢，制約了整體通量。借助定向進化或人工智能輔助的酶設計優(yōu)化，有望在短期內解決催化效率短板。

從產(chǎn)業(yè)鏈視角看，該技術若實現(xiàn)規(guī)?；渴?，將重塑飼料添加劑與食品鮮味劑的供應格局。據(jù)團隊測算，配套光伏設施的一公頃場地年產(chǎn)能可等效替代數(shù)百公頃農田的大豆或小麥蛋白產(chǎn)出。對于中國從事合成生物學試劑采購、酶制劑定制及生物反應器工程的企業(yè)而言，早期介入固定化酶載體開發(fā)、輔酶再生系統(tǒng)搭建以及粗原料預處理工藝適配，將是搶占下一代低碳氨基酸制造賽道布局的關鍵節(jié)點。