淀粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業(yè)原料。目前，淀粉主要由玉米等農(nóng)作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)，涉及約60余步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，理論能量轉(zhuǎn)化效率僅為2%左右。除了光合作用外，有沒有效率更高的二氧化碳生產(chǎn)淀粉的方式呢？這將成為影響世界的重大顛覆性技術(shù)。
近期，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和團隊，國際上首次在實驗室實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工合成，并將約60步的代謝反應(yīng)縮短為11步，其合成速率是傳統(tǒng)玉米淀粉合成速率的8.5倍。這一“從0到1”的重大原創(chuàng)性突破工作于9月24日發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
【擴展了人工光合作用的能力】
我國人民偏重碳水飲食，清代美食家袁枚在《隨園食單》中寫過“粥飯本也，余菜末也”，淀粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物。
農(nóng)作物的種植通常需要較長周期，還需使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農(nóng)藥等。糧食淀粉可持續(xù)供給、二氧化碳轉(zhuǎn)化利用是當今世界科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向。
天津工業(yè)生物所構(gòu)建了一條只有11步主反應(yīng)的人工合成淀粉新途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，利用化學(xué)催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，再將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）。這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設(shè)計自然、超越自然目標的實現(xiàn)邁進了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
2021年8月30日，天津工業(yè)生物所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成淀粉樣品
該研究擴展了人工光合作用的能力。按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當于5畝玉米的淀粉年平均產(chǎn)量（按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算）。
這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。據(jù)介紹，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠進一步降低，與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將有可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展，推動形成可持續(xù)的生物基社會。
《科學(xué)》評審專家評價：“該項工作是一項里程碑式突破，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響?！?/div>
【該領(lǐng)域的國際科技競爭可謂白熱化】
據(jù)2020年聯(lián)合國五大機構(gòu)發(fā)布的《世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》統(tǒng)計，全世界有近7.5億人面臨重度糧食不安全，占世界總?cè)丝诮种?。為了滿足人們對糧食的巨大需求，科學(xué)家們把目光投向了提供全球80%以上熱量攝入的淀粉。
當下，該領(lǐng)域的國際科技競爭可謂白熱化。2016年，德國馬普研究所報道了第七條人工設(shè)計的固碳途徑，二氧化碳轉(zhuǎn)化速率是自然卡爾文固碳循環(huán)的兩倍。2020年，以色列和澳大利亞科學(xué)家通過人工定向進化首次實現(xiàn)異養(yǎng)大腸桿菌和酵母固定二氧化碳進行自養(yǎng)生長（異養(yǎng)是只利用有機化合物生成，自養(yǎng)是直接用固定二氧化碳生長），進一步拓展了人工生物系統(tǒng)轉(zhuǎn)化二氧化碳的路線。近期，美國伯克利大學(xué)楊培東院士團隊用化學(xué)方法，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為多種碳水化合物，獲得了美國航空航天局設(shè)立的“從二氧化碳出發(fā)合成葡萄糖（淀粉組分）”百年挑戰(zhàn)計劃最高獎。
天津工業(yè)生物所自2015年起，聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用，組建了當初平均年齡30歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團隊，實行“項目制”管理機制，深耕六個春秋，集中力量攻克難題，最終實現(xiàn)了原創(chuàng)性重大突破。
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