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我国人工合成淀粉取得原创性突破

2021-09-25 07:30 北京日报

来源标题:我国人工合成淀粉取得原创性突破 在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成

按照目前技术参数,在能量供给充足的情况下,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平均年产量

这一合成技术有望节约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

在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室,科研人员展示人工合成淀粉样品。

科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理(从左至右)在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影。新华社记者 金立旺摄

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得突破性进展,创建了从二氧化碳到淀粉合成的新途径,在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。该成果于24日发表在国际学术期刊《科学》杂志。

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60余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。然而,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。面对粮食危机、气候变化等重大挑战,如何模拟和借鉴自然过程,构筑新的人工光合成途径,利用太阳光、水和二氧化碳合成淀粉分子,是科学家追求的目标。

中科院天津工业生物技术研究所团队针对植物生长周期长、天然淀粉合成途径长、催化效率低的关键问题,从头设计、构建具有较少反应步骤的人工淀粉合成途径(ASAP途径),利用电解产生的氢能催化二氧化碳合成淀粉,在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。与植物中合成和积累淀粉约60步反应相比,这一人工合成途径仅需要11步主反应,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。专家介绍,该研究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,扩展并提升了人工光合作用的能力,“按照目前技术参数,在能量供给充足的情况下,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平均年产量。”

该成果通过利用可再生资源产生的电能,实现了从温室气体二氧化碳再利用到粮食核心成分淀粉合成的跨越式发展。科研团队表示,这一合成技术有望节约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。

亮点

从“0到1”,瞄准“农业工业化”远景

以二氧化碳为原料,不依赖植物光合作用,直接人工合成淀粉——中国科学院天津工业生物技术研究所一支科研团队在实验室里首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

这一突破得到该领域一批国际知名专家的高度评价。中国工程院院士陈坚表示,这个工作是典型的“0到1”的原创性成果。神户大学副校长近藤昭彦表示,这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展带来变革性影响。

从分子生物学到合成生物学,科技进步已经让酶的定向改造日益成熟,并广泛应用于食品生产、疫苗开发、农业病虫害防治等领域。理论上,大多数食品和石油化学品都可以借助合成生物学技术制得。

不依赖传统农业种植,人工“制造”粮食——瞄准“农业工业化”这一远景,多国科学家各显身手,展开攻关。

“为未来的‘细胞工厂’打开了一扇窗。”对于此次研究的应用前景,论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬打了一个比方:人工合成淀粉的新反应途径相当于汽车发动机,酵母细胞相当于汽车底盘,下一步要把发动机放到底盘上安装好,对酵母细胞进行系统设计与改造,搭建一个淀粉合成的“细胞工厂”进行规模化生产。

不过,“细胞工厂”生产粮食的希望实现之前,科学家还需先攻克多重难关。

此外,要让人工合成淀粉与农业种植相比具有经济可行性,也需要一个艰难、持续的科技攻关过程。

中科院副院长周琪表示,这一成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有很长的距离,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

新华社记者 董瑞丰 毛振华 王井怀

(据新华社北京9月24日电)

责任编辑:张驰(QN0009)作者:李祺瑶

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