全球首个以“化学合成糖”为唯一底物发酵合成乳酸的研究

近日，大阪大学的研究人员和合作伙伴开发了一种使用化学合成的非天然糖作为原材料的创新生物制造技术（图 1），并发表在 ChemBioChem 期刊上。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。

图 1. 概念示意图（与传统方法比较）。图片来源：大阪大学

团队使用谷氨酸棒杆菌，以合成糖溶液为唯一底物，成功发酵生产乳酸（图2）。

图 2. 使用化学合成糖作为底物的乳酸发酵，来源：Wiley-VCH GmbH

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。化学糖合成具有众多优势，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。

图3.(a)以化学合成糖为底物的细菌生长曲线。额外的催化处理去除了生长抑制剂并提高了生长速率。(b) 使用合成糖作为底物的有机酸发酵的定量结果。仅当添加合成糖时才观察到乳酸的产生。来源：Wiley-VCH GmbH

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。