天津工业生物所在利用体外多酶系统以淀粉为底物实现ATP的高效再生方面取得新进展

 　三磷酸腺苷（ATP）是一种高能磷酸化合物，它与二磷酸腺苷（ADP）的相互转化实现贮能和放能，从而保证了各种生物催化过程的能量供应。ATP不稳定，价格昂贵，不适合直接大量加入工业化酶反应生产过程，因此构建经济高效的ATP再生系统是酶催化领域关注的焦点之一。ATP再生主要是利用高能磷酸化合物进行底物磷酸化系统。然而这些高能磷酸化合物的价格都非常昂贵，并不适合大规模应用。聚合磷酸盐价格低廉，可以在多聚磷酸激酶（polyphosphate kinase）的催化下产生ATP，是近年来ATP再生的主要关注点。然而，这些含磷酸的能量底物作为ATP的供体会导致反应体系中磷酸离子的积累，而这些积累的磷酸离子会沉淀镁离子。镁离子是维持很多酶活性的关键辅因子，镁离子的浓度减少会导致反应体系中的酶失活。利用葡萄糖、淀粉等廉价物质作为ATP再生的底物可以避免磷酸积累，是ATP再生系统更为理想的能量来源。但以往利用这些物质的ATP再生体系都需要昂贵辅酶A(CoA)和NAD(P)的参与，同样不适合规模化应用。 

　　近日，中科院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心游淳研究员带领的研究团队，设计了不依赖于利用辅酶A(CoA)和NAD(P)，以淀粉为底物的ATP再生体系。该ATP再生体系利用四个级联酶：α-葡聚糖磷酸化酶（α-glucan phosphorylase），磷酸葡萄糖变位酶（phosphoglucomutase），磷酸葡萄糖异构酶（phosphoglucose isomerase），磷酸转酮酶（phosphoketolase），将淀粉转化为高能磷酸化合物（乙酰磷酸），进而经过后续酶的催化产生ATP。该反应途径还包括一个碳重排模块，用于将磷酸转酮酶反应生成的副产物赤藓糖4-磷酸重新转化为可被用于ATP再生的底物果糖6-磷酸，从而实现淀粉的化学计量转化。该反应途径可以与需要ATP的酶催化反应耦合，生产高值化学品。整个反应途径无需NAD（P）和辅酶A，并且能达到无机磷酸离子的平衡。该研究团队以L-茶氨酸作为最终产品，对该体外多酶系统再生ATP的效率进行了评估。研究结果显示，L-茶氨酸的产率达到98%，ATP再生率接近化学计量数，整个体系在反应过程中pH值稳定。这为以淀粉为能量来源生产其他ATP依赖的高附加值生物基化学品提供了新方法。 

　　该研究得到中科院重点部署项目（ZDRW-ZS-2016-3）、国家自然科学基金（21778073和31600635）、天津市科技计划项目（15PTCYSY00020）的支持，相关研究成果近日发表在SCI期刊ChemCatChem。天津工业生物所助理研究员魏欣蕾为论文的第一作者。 　　  

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