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近期，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天津工業(yè)生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關(guān)工作于9月24日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
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余步生化反應(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。不依賴(lài)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，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)。
天津工業(yè)生物所從頭設(shè)計(jì)了11步反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與淀粉合成新途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團(tuán)隊(duì)采用了一種類(lèi)似“搭積木”的方式，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)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）。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，系統(tǒng)適配跨越了自然途徑數(shù)億年的進(jìn)化，向設(shè)計(jì)自然、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
該研究通過(guò)耦合化學(xué)催化與生物催化模塊體系，創(chuàng)新了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，解決了人工途徑中底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制、熱/動(dòng)力學(xué)匹配等問(wèn)題，擴(kuò)展了人工光合作用的能力。按照目前技術(shù)參數(shù)，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（按我國(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)辟了新的技術(shù)路線。
該成果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，如果未來(lái)該系統(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，提高人類(lèi)糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì)。
天津工業(yè)生物所自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)向的科技攻關(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。研究所根據(jù)項(xiàng)目研究需求進(jìn)行人才布局，組建了當(dāng)初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，充分發(fā)揮各成員學(xué)科優(yōu)勢(shì)與技術(shù)特色，實(shí)行“項(xiàng)目制”管理機(jī)制，集中力量攻克難題。在這種開(kāi)放、集成的新型科研組織模式下，團(tuán)隊(duì)成員為做一件事、一個(gè)目標(biāo)、一個(gè)任務(wù)，深耕六個(gè)春秋。
該成果得到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u(píng)價(jià)，認(rèn)為該工作是“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?！薄安粌H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?！薄皩⒃谙乱淮镏圃旌娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來(lái)變革性影響。”
該研究工作獲得了中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動(dòng)等項(xiàng)目前瞻性的資助和支持，是國(guó)家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心的重點(diǎn)研究方向。（記者張鵬輝）
責(zé)任編輯：張鵬輝
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