從二氧化碳到淀粉人工合成研究取得原創(chuàng)性突破

　　近期，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成方面取得突破性進(jìn)展，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關(guān)成果于9月24日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

 

　　9月23日，中科院就此召開新聞發(fā)布會(huì)，對(duì)成果及其進(jìn)展進(jìn)行解讀。會(huì)上，中科院副院長(zhǎng)、黨組成員周琪表示，當(dāng)今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑全球格局、創(chuàng)造人類美好未來的關(guān)鍵因素。二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重大科技問題之一。該成果目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，后續(xù)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。中科院將集成相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項(xiàng)研究深入推進(jìn)。

 

　　目前，淀粉主要由玉米等農(nóng)作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)，合成與積累涉及約60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)作物種植通常需較長(zhǎng)周期，并使用大量土地、淡水等資源和肥料、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。

 

　　在該研究中，天津工生所從頭設(shè)計(jì)出11步主反應(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。研究團(tuán)隊(duì)采用一種類似“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，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物聚合成碳六（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，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)提供了新科學(xué)基礎(chǔ)。

 

　　該研究通過耦合化學(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程技術(shù)，通過反應(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)匹配等問題，擴(kuò)展了人工光合作用的能力。按照目前技術(shù)參數(shù)推算，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年平均產(chǎn)量（按我國(guó)玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計(jì)算）。

 

　　相關(guān)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)雜分子提供了新技術(shù)路線。如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低至與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，將可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，同時(shí)減少農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平，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)。

 

　　成果得到國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u(píng)價(jià)，認(rèn)為是“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”，其“不僅對(duì)未來的農(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)中帶來變革性影響”。

 

　　該研究獲得中科院重點(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。

 

　　天津工生所自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6個(gè)春秋。