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从0到1的突破!人工合成淀粉的意义与前景

香港疫情反弹,美国航空和联合航空暂时停飞香港航班 2021-09-25 14:29:57 资讯 58564℃

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  从0到1的突破!

  ——人工合成淀粉的意义与前景

  本报记者 沈 慧

  设想一下,不需要种地,也不需要绿色植物,以太阳光、水和二氧化碳为原料,在工厂里就可以像植物一样源源不断生产出淀粉。是不是很神奇?而今,这看似遥不可及的一幕,在不久的将来,有望实现。

  近期,中科院天津工业生物技术研究所传来喜讯:经过6年技术攻关,科研团队在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

  不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳,合成淀粉,这一被国际学术界认为将是影响世界的重大颠覆性技术,究竟有何厉害之处?其突破,又有何科学意义和现实意义?记者就此采访了论文的作者及相关专家。

  突破瓶颈

  中国人偏重碳水饮食,清代美食家袁枚曾在《随园食单》中这样写道,“粥饭本也,余菜末也”,足见国人对碳水的宠爱。这里所说的碳水即碳水化合物,由碳、氢、氧组成,是人类生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物,它是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,是养活全球人口最重要的食物原料,同时也是重要的工业原料。

  多少年来,农作物通过光合作用,将水、二氧化碳等无机化合物合成可作为动物饲料和人类食物的糖类乃至淀粉等碳水化合物,是地球上最重要的生物化学反应过程。但这是效率最高的淀粉生产方式吗?答案是否定的。

  根据论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和提供的数据,在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉,涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,太阳能的利用效率不足2%。“植物经过亿万年进化,适应了自然环境,其固有属性制约了淀粉高效合成。”马延和称。

  有没有一种办法能够摆脱植物来合成淀粉?自合成生物学诞生以来,人们就开始尝试人工构建非自然途径,实现二氧化碳到淀粉的转化,以突破植物媒介光合作用的瓶颈。但是,因为技术路线不清、瓶颈问题难测,这条科研之路存在很多不确定性。

  马延和等人还是决定勇闯“无人区”。2015年起,天津工业生物所在中国科学院重点部署项目和天津市财政专项的支持下,立项开展二氧化碳合成淀粉的研究。

  6年鏖战,研究团队终于如愿以偿。论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬兴奋地说:“我们拿合成淀粉与自然界中的淀粉比较,得到核磁结果是一模一样的,可以说,合成淀粉实际上与自然的淀粉是没有区别的。”

  这意味着什么?数据显示,2019年,全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全,占世界总人口近十分之一。“即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料甚至饲料,也是对缓解农业压力的巨大贡献。”马延和表示。

  技术路径

  用二氧化碳人工合成淀粉,这项颠覆性技术是如何炼成的?马延和告诉记者,从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。

  可如何更高效地将光能转变为化学能?模拟和借鉴自然过程,构筑新的人工光合途径,科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式,首先通过光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气,然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能,该过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。

  甲醇储存了来自太阳能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。于是,科研人员又利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。

  为将设计蓝图变为现实,科研人员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最终合成了直链和支链淀粉。

  “这是实现人工光合作用合成淀粉的一种过程。”马延和说,从科学突破角度看,这一人工途径的淀粉合成,向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

  从技术创新角度看,通过发展高效的人工催化剂和生物酶,研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新途径。按照20%的光电转化效率计算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%,其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。

  这意味着什么?蔡韬解释,按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算),“这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗”。

  应用前景

  在江南大学原校长、中国工程院院士陈坚看来,食品生产大约占据全球40%的耕地,产生了25%的温室气体,作为最主要的粮食成分之一,淀粉的可持续供应是人类未来面临的重要挑战。这项研究成果将化学与生物的方法相结合,采用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术,从二氧化碳直接合成淀粉,完全颠覆了传统的淀粉生产方式。这项研究工作是典型的从“0到1”的原创性成果,不仅对未来的农业生产,特别是粮食生产具有革命性的影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。

  马延和表示,如果未来该系统过程成本与农业种植相比具有经济可行性,并实际应用,将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平。

  不过,他同时强调,目前该成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,且面临诸多挑战。

  “后续,研究团队还需要尽快实现从‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的转换,让这项技术最终成为解决人类发展问题的有效手段和工具。”中科院副院长周琪表示,中科院将集成相关科技力量,一如既往地支持该项研究深入推进。

  “当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与人工合成淀粉,正是应对挑战的重大科技问题之一。”周琪说。

【编辑:黄钰涵】

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