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第5版:综合新闻 2021-09-25

精巧“搭积木”CO2人工合成淀粉

我国科学家实现新突破,有望为未来“细胞工厂”打开一扇窗

本报讯(记者 郜阳)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——看似科幻的一幕,真实地发生在实验室里。记者从中国科学院获悉,我国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,相关成果北京时间9月24日由国际知名学术期刊《科学》(Science)在线发表。

“搭积木”建新合成途径

淀粉是粮食最主要的成分,通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累,涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。人工合成淀粉是科技领域一个重大课题。此前,多国科学家积极探索,但一直未取得实质性重要突破。

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

天津工业生物所副研究员蔡韬介绍,实验室初步测试显示,人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数推算,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亩玉米地的年产淀粉量。

这一突破得到该领域一批国际知名专家的高度评价。德国科学院院士曼弗雷德·雷兹表示,将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战,这项工作将该领域研究向前推进了一大步。美国工程院院士延斯·尼尔森表示,这是利用合成生物学解决当今社会面临的若干重大挑战的惊人案例,将为日后更多相关研究铺平道路。

“1到10”还需持续攻关

“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,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。马延和说,未来搭建“细胞工厂”面临着人工生命设计、合成、调控等诸多基础科学挑战,需要化学、物理、工程等学科与生物学的长期交叉研究。

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。

不少科学家认为,人工合成淀粉未来如果进入实际应用,不仅能节约耕地和淡水资源、进一步保障粮食安全,还将带来诸多想象空间——中国科学院院士康乐认为,人工合成淀粉过程中“抓”住的二氧化碳,若能远多于排放的二氧化碳,就可以进一步挖掘潜力,为碳达峰碳中和做出更大贡献;中国工程院院士岳国君说,人工合成淀粉的中间产品,比如葡萄糖,可发酵生产醇、酸、酮等平台化合物,广泛用于生产塑料、纤维和橡胶。

据悉,天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标,一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题,另一方面要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

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