人工合成淀粉 从慢慢种变快速造
全球首次实现 产业化是未来努力方向
来源:天津日报 发布时间:2021-09-26 08:43

科研人员在观察淀粉的形态。

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所的科研团队经过6年探索,国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。该成果于北京时间9月24日在国际学术期刊《科学》在线发表,本报同步报道。

天津工业生物所在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,让天方夜谭成为可能。这意味着,我们所需要的淀粉,今后可以将二氧化碳作为原料,通过类似酿造啤酒的过程,在生产车间中制造出来。

为淀粉工业生产打开一扇窗

淀粉是人类粮食的最主要成分,主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。人们获取淀粉,主要是直接从玉米、薯类等农作物中提取。从2015年开始,中科院天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。但是,淀粉并非稀缺资源,人工合成淀粉有什么重要意义?

“农作物生长周期长,需要大面积种植,如何更高效地生产淀粉成为一个巨大的挑战。”论文第一作者、中科院天津工业生物所副研究员蔡韬这样向记者进行了解释:“我们选择做淀粉的人工合成研究,是想把非常慢的、大面积种植的农业过程,变成高效的、集中化的工业过程。”

粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战。全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种,找到更廉价、更大量的替代淀粉非常重要。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。“我们中科院是科研国家队,就要以国家重大战略需求为导向开展科技攻关,做国家的事。”蔡韬告诉记者。

“我们的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。”蔡韬表示,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”。

人工淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍

淀粉是一种复杂有机物,它的合成也是一个复杂的过程。自然反应中,淀粉合成与积累需涉及约60步代谢反应和细胞间运输,在工业生产中,必须将其简化,又必须保证所有反应的充分和精准。因此,如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径,是人工合成淀粉面临的最大挑战。

“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料,将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物,然后再设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。”蔡韬说。6年的时间,科研团队一直摸索的就是从碳氢化合物到淀粉的生物合成路径。

经过计算机算法挖掘和筛选,在起点二氧化碳和终点淀粉之间,科研团队最终锁定了30条可能的路径。每一条可能的路径都是一座“迷宫”,每一座迷宫中又有数个“关口”,也就是生化反应,想要过关,必须寻找到相应的“钥匙”,即能催化反应的特定的酶。

“自然途径中的酶元件经过上亿年的进化,已经融合得非常好,就像一家人一样。而人工途径中的不同来源的酶元件‘打架’,这就需要我们为这些酶找到合适的相处方式,让他们彼此适应。”蔡韬告诉记者。

科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,通过蛋白别构调控改造、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。最终优中选优,使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。

经过各种优化,科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步,并实现了精准调控。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。

“经过分析鉴定,我们合成的淀粉样品无论成分还是理化性质,都和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说道。

按照目前的技术参数,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年平均产量。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。

“项目制”管理保障“0到1”的突破

“研究所不按发表文章进行考核,我们6年没有发过一篇文章,只是一心做研发。”蔡韬坦言,天津工业生物所实行的“项目制”管理,为科研提供了制度保障:“与课题组同时进行多个课题不同,6年来我们只做了这一件事,不用担心项目经费问题,可以心无旁骛地做科研。”

传统科研模式一般以课题组为单元进行,优势是能够集中在一个领域方向,但不是所有的研究项目都适合这样的模式。“我们这个项目是一个多领域多方向交叉的工作,这就需要将具备不同专长的人和团队组织起来,专业的人做专业的事,协同合作完成。”蔡韬表示。

2015年,研究所根据项目研究需求进行人才布局,组建了当初平均年龄30周岁的优秀青年科学家团队。“在这种开放、集成的新型科研组织模式下,共有十多个小团队参与。”蔡韬说,“不同团队聚在一起,为一件事、一个目标、一个任务共同努力,协同攻关,最终实现了原创性重大突破。”

该成果得到国内外领域专家的高度评价,认为该工作是“典型的0到1原创性突破”,“是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”。

作为一种基础研究领域的原创性突破,人工合成淀粉仍处在实验阶段,产业化是科研团队未来努力的方向。“要想实现工业化生产,还需解决诸多的科技难题,不断提升成果的经济性,才能与农业种植竞争。”蔡韬表示,在实现了从“0到1”的突破后,这项科学成果还需要尽快实现从“1到10”和“10到100”的转换,最终成为解决人类发展面临重大问题的有效手段和工具。

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