【中国网】颠覆性技术!从二氧化碳到淀粉人工合成

发布时间:2021-09-24

来源:中国网 王振红【字号:

8月30日,中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品(中国科学院科技摄影联盟供图)

8月30日,中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品(中国科学院科技摄影联盟供图)

  近期,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。相关工作于9月24日发表于国际学术期刊《科学》。

  淀粉是粮食最主要的成分,同时也是重要的工业原料。目前淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为2%左右。农作物的种植通常需要较长周期,需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战,粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用是当今世界科技创新的战略方向。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,将是影响世界的重大颠覆性技术。

  中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用了一种类似“搭积木”的方式,从头设计了11步主反应的非自然二氧化碳固定与淀粉合成新途径,在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。团队联合中国科学院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,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。

  该研究通过耦合化学催化与生物催化模块体系,创新了高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术,通过反应时空分离优化,解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题,扩展了人工光合作用的能力。研究所副研究员、论文第一作者蔡韬表示,“按照目前技术参数推算,在能量供给充足条件下,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。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。”

  该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,如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将有可能会节约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,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续的生物基社会。

  这项成果得到了国内外领域专家的高度评价。

  “这是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果。”中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员赵国屏表示,“这一原创性成果,是扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破,使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。同时,也展现了合成生物学工程科学研究策略的巨大潜能,为针对重大应用目标实现中的瓶颈科技问题开展基础研究的战略导向,提供了成功的范例。”

  中国工程院院士、江南大学原校长陈坚表示,“这项科研成果完全颠覆了传统的淀粉生产方式。这个工作是典型的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。”

  美国科学促进会/《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰表示,“该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线。”

  韩国国家科学与工程院院士、美国工程院外籍院士、韩国科学技术院副院长李相烨认为,“这项工作彰显了合成生物学在生物合成途径及酶的设计方面的巨大力量,也显示出将化学和生物相结合的方法对于生物基化学品和材料生产的重要性。”

  神户大学副校长兼教授近藤昭彦表示,“不依赖光合作用从二氧化碳到淀粉的合成无疑是我们长期追求的梦想。我们可以利用合成的淀粉生产各种各样的材料和食品,这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响。”

  德国科学院院士、欧洲科学院院士、德国马普煤炭研究所名誉教授曼弗雷德·雷兹表示,“将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战,这项工作将该领域的研究向前推进了一大步,同时将天津工业生物技术研究所推向了国际顶尖水平。”

  “今天我们发布的成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需要尽快实现从‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。”中国科学院副院长周琪院士指出。据悉,该研究工作获得了中国科学院重点部署项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目前瞻性的资助和支持,是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向。

(责任编辑:阎芳)

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