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從0到1的突破!——人工合成澱粉的意義與前景

2021-09-25 12:10

  設想一下,不需要種地,也不需要綠色植物,以太陽光、水和二氧化碳為原料,在工廠裏就可以像植物一樣源源不斷生產出澱粉。是不是很神奇?而今,這看似遙不可及的一幕,在不久的將來,有望實現。

  近期,中科院天津工業生物技術研究所傳來喜訊:經過6年技術攻關,科研團隊在澱粉人工合成方面取得重大突破性進展,在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。

  不依賴植物光合作用,設計人工生物系統固定二氧化碳,合成澱粉,這一被國際學術界認為將是影響世界的重大顛覆性技術,究竟有何厲害之處?其突破,又有何科學意義和現實意義?記者就此採訪了論文的作者及相關專家。

  突破瓶頸 

  中國人偏重碳水飲食,清代美食家袁枚曾在《隨園食單》中這樣寫道,“粥飯本也,餘菜末也”,足見國人對碳水的寵愛。這裏所説的碳水即碳水化合物,由碳、氫、氧組成,是人類生存必不可少的元素。而澱粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物,它是麪粉、大米、玉米等糧食的主要成分,是養活全球人口最重要的食物原料,同時也是重要的工業原料。

  多少年來,農作物通過光合作用,將水、二氧化碳等無機化合物合成可作為動物飼料和人類食物的糖類乃至澱粉等碳水化合物,是地球上最重要的生物化學反應過程。但這是效率最高的澱粉生產方式嗎?答案是否定的。

  根據論文通訊作者、天津工業生物所所長馬延和提供的數據,在玉米等農作物中,將二氧化碳轉變為澱粉,涉及約60步代謝反應以及複雜的生理調控,太陽能的利用效率不足2%。“植物經過億萬年進化,適應了自然環境,其固有屬性制約了澱粉高效合成。”馬延和稱。

  有沒有一種辦法能夠擺脱植物來合成澱粉?自合成生物學誕生以來,人們就開始嘗試人工構建非自然途徑,實現二氧化碳到澱粉的轉化,以突破植物媒介光合作用的瓶頸。但是,因為技術路線不清、瓶頸問題難測,這條科研之路存在很多不確定性。

  馬延和等人還是決定勇闖“無人區”。2015年起,天津工業生物所在中國科學院重點部署項目和天津市財政專項的支持下,立項開展二氧化碳合成澱粉的研究。

  6年鏖戰,研究團隊終於如願以償。論文第一作者、天津工業生物所副研究員蔡韜興奮地説:“我們拿合成澱粉與自然界中的澱粉比較,得到核磁結果是一模一樣的,可以説,合成澱粉實際上與自然的澱粉是沒有區別的。”

  這意味着什麼?數據顯示,2019年,全世界有近7.5億人面臨重度糧食不安全,佔世界總人口近十分之一。“即使是替代一部分糧食澱粉作為工業原料甚至飼料,也是對緩解農業壓力的巨大貢獻。”馬延和表示。

  技術路徑 

  用二氧化碳人工合成澱粉,這項顛覆性技術是如何煉成的?馬延和告訴記者,從能量角度看,光合作用的本質是將太陽光能轉化為儲藏在澱粉中的化學能。

  可如何更高效地將光能轉變為化學能?模擬和借鑑自然過程,構築新的人工光合途徑,科研人員想到了光能—電能—化學能的能量轉變方式,首先通過光伏發電將光能轉變為電能,通過光伏電水解產生氫氣,然後通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇,將電能轉化為甲醇中儲存的化學能,該過程的能量轉化效率超過10%,遠超光合作用的能量利用效率。

  甲醇儲存了來自太陽能的能量,但是自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程。於是,科研人員又利用合成生物學的思想,從海量的生物化學反應數據中設計出了一條僅包含10步主反應的甲醇到澱粉的人工路線ASAP。

  為將設計藍圖變為現實,科研人員還挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑,最終優中選優,使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮,進一步轉化為六碳的磷酸葡萄糖,最終合成了直鏈和支鏈澱粉。

  “這是實現人工光合作用合成澱粉的一種過程。”馬延和説,從科學突破角度看,這一人工途徑的澱粉合成,向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步,為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎。

  從技術創新角度看,通過發展高效的人工催化劑和生物酶,研究團隊從6568個生化反應中設計形成固碳與人工合成澱粉新途徑。按照20%的光電轉化效率計算,這條化學、生物雜合的人工合成澱粉新系統,理論能量轉化效率可達7%,其澱粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。

  這意味着什麼?蔡韜解釋,按照目前技術參數推算,在能量供給充足的條件下,理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉產量(按我國玉米澱粉平均畝產量計算),“這一成果為從二氧化碳到澱粉生產的工業車間製造打開了一扇窗”。

  應用前景 

  在江南大學原校長、中國工程院院士陳堅看來,食品生產大約佔據全球40%的耕地,產生了25%的温室氣體,作為最主要的糧食成分之一,澱粉的可持續供應是人類未來面臨的重要挑戰。這項研究成果將化學與生物的方法相結合,採用蛋白質工程和合成生物學等一系列新技術,從二氧化碳直接合成澱粉,完全顛覆了傳統的澱粉生產方式。這項研究工作是典型的從“0到1”的原創性成果,不僅對未來的農業生產,特別是糧食生產具有革命性的影響,而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義。

  馬延和表示,如果未來該系統過程成本與農業種植相比具有經濟可行性,並實際應用,將有可能節約90%以上的耕地和淡水資源,避免農藥、化肥等對環境的負面影響,提高人類糧食安全水平。

  不過,他同時強調,目前該成果尚處於實驗室階段,離實際應用還有相當長的距離,且面臨諸多挑戰。

  “後續,研究團隊還需要儘快實現從‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的轉換,讓這項技術最終成為解決人類發展問題的有效手段和工具。”中科院副院長周琪表示,中科院將集成相關科技力量,一如既往地支持該項研究深入推進。

  “當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等一系列重大挑戰,科技創新已成為重塑全球格局、創造人類美好未來的關鍵因素。二氧化碳的轉化利用與人工合成澱粉,正是應對挑戰的重大科技問題之一。”周琪説。(經濟日報記者 沈 慧) 

 
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