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我国淀粉人工合成取得重大突破
发布时间:2021-09-24 08:51来源:央视新闻客户端

昨天(23日),记者在中国科学院举行的新闻发布会上获悉,经过多年研究攻关,我国在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,国际上首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。从二氧化碳人工合成淀粉被国际学术界认为是影响世界的重大颠覆性技术,这一成果今天(24日)在国际学术期刊《科学》发表。

在玉米等农作物中,自然光合作用的淀粉合成与积累涉及60多步生化反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率为2%左右。通过多年研究攻关,中科院天津工业生物所科研团队联合大连化物所,采用一种类似“搭积木”的方式,通过耦合化学催化和生物催化模块体系,实现了“光能—电能—化学能”的能量转变方式,成功构建出一条从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径。

中科院天津工业生物所副研究员 蔡韬: 我们研究团队提出了化学和生物耦合催化合成淀粉的一个新的思路,目前在实验室只需要几个小时就可以完成农作物需要几个月的淀粉合成过程。

科研团队最新突破的淀粉人工合成不仅步骤更少,而且还具有更高的能量转化效率与合成速度。该人工途径从太阳能到淀粉的理论能量转化效率是玉米的3.5倍,淀粉合成速率是玉米的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数推算,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量,相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。

中科院天津工业生物所所长 马延和: 虽然现在还是处于实验室阶段,未来还需要有更多的科学挑战,但一旦工业实现,它会对我们的粮食安全到二氧化碳的利用,到我们双碳的目标都会起到非常重大的支撑作用。

《科学》杂志国际及学术出版合作总监 初晓英: 它是人工合成淀粉这个领域的一个重大突破,也是从国际上来说第一次(在实验室)从二氧化碳合成了淀粉的整个的过程,这个过程对生物合成生物制造的领域是一个重大的里程碑式的突破,然后下一步对农业生产、对工业的生物制造实际上提供了一个新的途径,有非常重大的推进意义。

三大核心突破 实现人工合成淀粉>>

淀粉是粮食最主要的成分,也是重要的工业原料。从二氧化碳人工合成淀粉这一颠覆性技术是如何实现的?核心突破究竟在哪儿?

亮点1: 能量转化效率提升3.5倍 突破自然光合固碳系统利用太阳能的局限

为了设计超越自然能力的固碳淀粉合成途径,科研团队创新地提出将化学与生物催化相耦合的方案,从约7000个生化反应中、构建形成只有11步主反应的固碳淀粉人工合成途径,将理论能量转化效率提升3.5倍,使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能。

亮点2: 从60多步到11步 突破自然界淀粉合成的复杂调控障碍

在计算设计的人工途径中,生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。科研团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂,构建了一条只有11步反应的人工淀粉合成途径,与自然界淀粉合成需要的60多个步骤相比,显著降低了合成的复杂度。

亮点3: 突破天然淀粉合成时空效率不高的限制

由于缺少自然途径上亿年的进化过程,人工途径中来源于不同物种的生物酶催化剂间存在难以适配的问题。针对这个问题,研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略,解决了人工途径中底物竞争、产物抑制等问题,最终获得了淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径。

人工合成淀粉:工业化之路面临众多挑战>>

从二氧化碳人工合成淀粉的参数计算,1立方米大小的生物反应器年产淀粉量,可以相当于5亩玉米淀粉产量。那么人工合成的淀粉和自然界的淀粉有何异同?淀粉生产的工业化之路还面临哪些挑战呢?一起听听专家的解读。

中科院天津工业生物所所长 马延和: 通过人工这个途径所出来的淀粉,目前主要还是直链淀粉,当然现在我们也可以加入一个分支酶,把它可以做成支链淀粉。现在在实验室我们有了一点样品,但是还没有去做应用。

中科院天津工业生物所副研究员 蔡韬: 最重要的就是我们通过我们科学这样的金标准,就是核磁检测,我们拿我们的合成的直链(淀粉) 和支链(淀粉) 和自然界中的直链(淀粉) 和支链(淀粉) 一起去比,得到核磁的结果是一模一样,所以我们可以说我们合成的淀粉实际上就是和自然的淀粉是没有区别的。

科研团队介绍,虽然人工合成淀粉这一路径已经打通,但是目前仅在实验室生产了少量的淀粉样品,要真正实现人工合成淀粉的工业化,还面临很多挑战。

中科院天津工业生物所所长 马延和: 如果变成工业化,就是我们说以合成生物学的这种理念,重新设计生物体甚至生物体的功能,然后让它能够突破自然生物的局限,就可以大大缩短它的生产周期和降低它的成本。

中国科学院副院长、中国科学院院士 周琪: 这项工作是符合中国科学院在基础研究领域,以社会的重大需求和人类面临的重大问题作为我们的出发点,多学科的交叉和学科的融合,这会是未来科技创新的模式和方式。


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