随着全球人口的持续增长和人均消费量的增加，对食物的需求也在迅速上升（Xu等人，2023年）。作为人类饮食的主要成分，淀粉主要来源于传统耕作系统下种植的粮食作物。鉴于地球上可耕地和淡水的有限性，来自生物反应器的合成淀粉备受青睐。2013年，张YHP建立了一种体外酶促途径，将纤维素转化为淀粉，实现了30.0%的直链淀粉产量（You等人，2013年）。这项工作为利用农业纤维素废弃物在生物反应器中生产淀粉提供了可能性，从而有可能解决全球粮食危机。
在这种纤维素到淀粉的途径中，纤维素首先在内葡聚糖酶（EG）和纤维二糖水解酶（CBH）的协同作用下被水解为纤维二糖，然后纤维二糖磷酸化酶（CBP，EC 2.4.1.20）催化纤维二糖的可逆磷酸解反应，生成葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）和葡萄糖。作为糖基供体的G-1-P随后被马铃薯α-葡聚糖磷酸化酶（PGP，EC 2.4.1.1）转移到麦芽糊精底物上，从而在不消耗ATP的情况下合成直链淀粉。这一途径在多个方面具有优势，如能够同时解决纤维素废弃物的再利用和食物供应问题，不消耗能量或易变辅酶，并且易于扩大生产规模。然而，由于其直链淀粉产量受到限制——因为纤维素中的葡萄糖单元只有大约一半能够被整合到直链淀粉中（纤维素完全水解为纤维二糖后），理论上的直链淀粉产量仅为50%。CBP和纤维素水解释放的葡萄糖不仅会导致葡萄糖单元的损失，还会抑制纤维素酶和CBP的活性，进一步阻碍纤维素向淀粉的转化过程。为了消除葡萄糖的抑制作用，人们引入了额外的处理方法，例如添加葡萄糖氧化酶来转化葡萄糖（You等人，2013年）或添加酵母来吸收葡萄糖（Xu等人，2023年）。显然，开发一种有效的策略将葡萄糖整合到直链淀粉链中对于提高纤维素到淀粉途径的直链淀粉产量至关重要。
体外葡萄糖磷酸化的最具成本效益的方法是通过多磷酸葡糖激酶（PP GK，EC 2.7.1.63）（Chen和Zhang，2021年），它使用低成本的无机多磷酸盐（polyP）作为磷酸供体来催化葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）的形成。因此，很容易构建一个由PP GK和磷酸葡糖变位酶（PGM，EC 5.4.2.2）组成的葡萄糖利用旁路，使葡萄糖能够转化为G-1-P并进入纤维素到淀粉的转化途径。图1展示了增强纤维素到淀粉转化的整体反应方案。通过引入葡萄糖利用旁路，纤维素到淀粉途径的理论直链淀粉产量可以达到100%。然而，该旁路中存在一个热力学上不利的反应：PGM催化的反应在标准条件下的平衡常数（Keq）为20，强烈倾向于生成G-6-P（标准吉布斯自由能变化ΔrG'° = –7.4 ± 1.5 kJ/mol），从而无法从G-6-P充分供应G-1-P用于直链淀粉的合成。因此，我们提出构建PGM和PGP的双酶复合体，其中PGM生成的G-1-P可以直接被PGP捕获并迅速转移到正在生长的直链淀粉链中，实现两个活性位点之间的底物定向传输。在这种情况下，G-1-P的及时去除将促进PGM催化的反应持续生成G-1-P，从而加强葡萄糖利用旁路。
在本研究中，我们在纤维素到淀粉途径中构建了一个葡萄糖利用旁路，并设计了三种PGM和PGP之间的双酶复合体来增强该旁路的效果。实验表明，PGM和PGP的融合复合体对葡萄糖利用旁路的促进作用最强，将纤维素的直链淀粉产量提高了68.2%。这项工作显著提高了纤维素到淀粉的生物转化效率，为大规模生产合成直链淀粉奠定了基础。
