中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所蔡韜副研究員在實(shí)驗(yàn)室展示人工合成淀粉樣品,。中科院科技攝影聯(lián)盟 供圖
二氧化碳能合成淀粉嗎,？對(duì)這個(gè)貌似天方夜譚的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)家歷時(shí)6年多科研攻關(guān)給出肯定和詳細(xì)的答案,。繼上世紀(jì)60年代在世界上首次完成人工合成結(jié)晶牛胰島素之后,，中國(guó)科學(xué)家又在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成,。
由中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(中科院天津工業(yè)生物所)主導(dǎo)完成的人工合成淀粉重大科技突破進(jìn)展成果論文,，北京時(shí)間9月24日凌晨在著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表，從而為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車(chē)間制造“打開(kāi)了一扇窗”,。
中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所科研人員在實(shí)驗(yàn)室展示人工合成淀粉樣品,。中科院科技攝影聯(lián)盟 供圖
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(jì)自然,、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)一大步,，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供新的科學(xué)基礎(chǔ)，也將為未來(lái)從二氧化碳合成淀粉開(kāi)辟嶄新道路,，使未來(lái)淀粉的工業(yè)化生物制造成為可能,。
業(yè)內(nèi)專(zhuān)家稱，如果未來(lái)二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過(guò)程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性,，將會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源,，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,，推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì),，提高人類(lèi)糧食安全水平。同時(shí),，最新研究成果實(shí)現(xiàn)在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的化學(xué)-生物法聯(lián)合的人工淀粉合成途徑(ASAP)，為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線提供一種新思路,。
中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所蔡韜副研究員在實(shí)驗(yàn)室展示人工合成淀粉樣品,。中科院科技攝影聯(lián)盟 供圖
中科院天津工業(yè)生物所介紹說(shuō)，淀粉是糧食最主要的成分,，同時(shí)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(guò)自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn),，淀粉合成與積累涉及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,。農(nóng)作物的種植通常需要較長(zhǎng)周期，需要使用大量土地,、淡水等資源以及肥料,、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。糧食危機(jī),、氣候變化是人類(lèi)面臨的重大挑戰(zhàn),，糧食淀粉可持續(xù)供給、二氧化碳轉(zhuǎn)化利用是當(dāng)今世界科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向,。而不依賴植物光合作用,，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，是影響世界的重大顛覆性技術(shù),。
該所自2015年起聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用,，開(kāi)展需求導(dǎo)向科技攻關(guān)，集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源,，加強(qiáng)“學(xué)科-任務(wù)-平臺(tái)”整合,，實(shí)現(xiàn)各方科研力量的有機(jī)融合和高效協(xié)同，組建當(dāng)初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì),，持續(xù)6年深耕人工合成淀粉項(xiàng)目研發(fā),。
青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從頭設(shè)計(jì)出11步反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成,。他們采用一種類(lèi)似“搭積木”的方式,，聯(lián)合中科院大連化學(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,，然后通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)建碳一聚合新酶,，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物，最后通過(guò)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(jìn)一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。
該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)耦合化學(xué)催化與生物催化模塊體系,，創(chuàng)新高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過(guò)程技術(shù),，通過(guò)反應(yīng)時(shí)空分離優(yōu)化，解決人工途徑中底物競(jìng)爭(zhēng),、產(chǎn)物抑制,、熱/動(dòng)力學(xué)匹配等問(wèn)題，擴(kuò)展人工光合作用的能力,。按照目前技術(shù)參數(shù),，在能量供給充足條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量(按中國(guó)玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計(jì)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(chē)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(kāi)辟新的技術(shù)路線,。
中國(guó)科學(xué)家在淀粉人工合成方面取得的重大顛覆性成果,，也獲中外同行專(zhuān)家高度評(píng)價(jià),，認(rèn)為這是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”,，是“擴(kuò)展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項(xiàng)具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”“不僅對(duì)未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響,，而且對(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義”“將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來(lái)變革性影響”。
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