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作者:倪思潔 來源:中國科學報 發布時間:2021/9/24 7:31:59
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重大突破!人工合成淀粉登《科學》,五問新成果

 

淀粉,在日常生活中幾乎隨處可見,它既是作糧食最主要的成分,也是重要的工業原料。烹飪調味料、護膚化妝品、雜志封面紙、膠囊外殼、棉紗紡織……無一不用到淀粉。近期,中國科學院天津工業生物技術研究所(以下簡稱中科院天津工業生物所)的科研團隊經過6年探索,在實驗室里首次實現了淀粉分子的人工合成。

這是國際上首次創建出電/氫能驅動二氧化碳從頭合成淀粉的途徑,比自然路線反應步數更少,淀粉合成速率更快。9月24日凌晨,成果在線發表于《科學》雜志。評審專家認為“該工作是典型的0到1原創性突破”,“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,而且對全球生物制造產業的發展具有里程碑式的意義”。

對于與成果相關的一些問題,《中國科學報》記者采訪了相關科研人員。

實驗室中人工合成的淀粉樣品(劉如楠攝)

一問:他們為什么要合成淀粉?

淀粉并非稀缺資源。要想得到淀粉,最簡單的方法是直接從玉米、薯類等農作物中提取。那么,科研人員為什么還要費時費力地合成淀粉呢?

“我們是想把非常慢的、大面積種植的農業過程,變成高效的、集中化的工業過程。”論文第一作者、中科院天津工業生物所副研究員蔡韜告訴《中國科學報》,“農作物生長周期長,需要大面積種植,而且用于提高產量的各種育種技術已進入平臺期,如何更高效地生產淀粉成為一個巨大的挑戰。”

長久以來,為了提高農作物產量,更高效地從自然界中獲得有機物,科學家們探索出了雜交育種、分子育種等各種遺傳育種的辦法。在遺傳育種將農作物產量向極限提升的同時,生物合成技術也受到關注。

2015年,國際納米材料科學家楊培東構建出了一套“人工光合作用”系統,通過納米線和細菌組成的系統,模擬自然界的光合作用,把二氧化碳和水轉變成碳水化合物。2018年,美國國家航空航天局(NASA)還發起了名為“二氧化碳轉化挑戰賽”的“百年挑戰計劃”,希望能將火星上最充足的資源——二氧化碳,轉化成葡萄糖等有用的化合物,以滿足人類在火星上生存和生活所需。

從2015年開始,中科院天津工業生物所科研團隊啟動了人工合成淀粉項目。“之所以選擇做淀粉的人工合成研究,是因為淀粉很重要,它是農耕文明的核心分子,提供了人類生存所需的熱量。”蔡韜說。

“全球以淀粉為原料的產品大約有3萬多種,我們如何能找到更廉價、更大量的替代淀粉?這項研究已經邁出了重要一步。”未參與此項研究工作的中國工程院院士岳國君評論說。

二問:淀粉是怎么被合成出來的?

“我們的整體設計思路是將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來作為原料,將低密度太陽能轉化為高密度電/氫能作為能源,形成簡單的碳氫化合物,然后再設計出從碳氫化合物到淀粉的生物合成過程。”蔡韜說。

早在2015年,科研團隊就確定了這一設計思路,此后6年里,在二氧化碳電/氫轉化甲醇技術基礎上,科研團隊一直摸索的就是從碳氫化合物到淀粉的生物合成路徑。

“淀粉是一種復雜有機物,它的合成也是一個復雜的過程,我們要把它簡化變成一個簡單的過程。”蔡韜說。

最初,他們在從二氧化碳到淀粉的6568個生化反應中,計算出了一條最短的合成途徑。這條途徑共有11步主反應,大致是先做化學反應——利用高密度電/氫能將二氧化碳還原為碳一化合物,再做生物反應——將碳一化合物聚合為碳三化合物、碳六化合物(即葡萄糖)直至長鏈淀粉分子。

但這只是一條理論的虛擬途徑,科研團隊必須在現實中把這條路走通。“計算出來的途徑中,很多酶的組合在現實中是從來都沒有出現過的。”蔡韜說,不同的酶“脾氣秉性”不同,它們組合在一起之后會產生一些不可控的問題。

例如,生物合成的第一步是要從碳一化合物合成出碳三化合物,而此前國內外的研究成果一直存在合成產物不可控的問題,從碳一化合物可能會產生出碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳氫化合物。于是,他們從頭設計碳碳縮合酶新序列,創建出了非自然的碳碳縮合酶,以促成從碳一化合物到碳三化合物的聚合,最終他們成功地實現了從甲醛到2-羥基丙酮的可控生化反應。

與此同時,他們還進一步改造來自動物、植物、微生物等不同物種的生物酶催化劑,構建從2-羥基丙酮到葡萄糖異生代謝、多糖聚合功能模塊,組裝復雜的生化級聯反應體系,通過蛋白別構調控改造、反應時空分離優化,解決人工途徑中底物競爭、產物抑制、熱動力學匹配等問題。

經過各種優化,科研團隊成功將從二氧化碳到淀粉的合成途徑簡化至11步,并實現了精準調控。“這就是我們最初的夢想——憑空制造,隨心所欲。”論文通訊作者、中科院天津工業生物所所長、研究員馬延和說。

三問:人工合成的淀粉跟自然淀粉一樣嗎?

“如果把人工合成淀粉做成面條、粉絲的話,大概會像意大利面那樣非常勁道。”馬延和表示,自然淀粉中是直鏈淀粉和支鏈淀粉混在一起,目前實驗室里合成的主要是直鏈淀粉,合成的支鏈淀粉還沒有自然淀粉中的支鏈淀粉那么復雜。

“從外觀上看,人工合成淀粉跟從玉米、薯類等農作物中提純出來的淀粉看起來是一樣的。”蔡韜說,實驗室里通過人工合成產生的淀粉處于溶解狀態,“是比較稀的淀粉糊糊,干燥后會變成粉狀”。

科研人員對淀粉的基本判斷方法是在溶液中加碘液,直鏈淀粉遇碘呈藍色,支鏈淀粉遇碘呈紫紅色。此外,他們還專門對合成物進行了理化分析。“通過核磁共振等檢測,它和我們自然生產的淀粉是一模一樣的。”蔡韜說。

四問:有可能實現工業化生產嗎?

作為一種基礎研究領域的原創性突破,人工合成淀粉仍處在實驗階段。那么,未來它是否有工業化生產的可能?對此,科研人員表示,有潛力也有挑戰。

“實驗室里合成出淀粉大約需要4個小時。就人工合成淀粉的途徑來看,從太陽能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”蔡韜說。

他告訴記者,在實驗室里,規模還比較小,平均一小時能合成出的淀粉只有幾克,但是按照目前的技術參數,在能量供給充足的條件下,1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉平均年產量,這為淀粉生產的車間制造提供了可能。

“如果人工合成淀粉示范可以達到理論能量轉換效率的80%,那么10度電大約可以合成1公斤淀粉。”馬延和說。

同時,蔡韜也直言,產業化應用還有很大挑戰。一方面,在工程生物學基礎理論和工程設計方面還有問題要解決,另一方面,就經濟性而言,從控制過程成本初步計算,只有當二氧化碳到淀粉合成的電能利用效率再提高數倍,淀粉合成的碳素轉化速率再提高數十倍,才能與農業種植競爭。因此,要想實現工業化生產,還需解決諸多的科技難題。

五問:接下來他們還要做什么?

“我們做的是應用導向的基礎研究,目前取得的只是階段性進展,后面還面臨著很多難題。”蔡韜表示,科研團隊已經邁出了第一步,即從理解細胞的基礎代謝原理到設計細胞外生物化學反應途徑,接下來,他們還要建立從二氧化碳到淀粉的可控網絡和生態系統,并嘗試在細胞內實現淀粉的人工合成。

產業化也是他們努力的方向。“我們計劃在未來5至10年內,建立工業示范,以工業尾氣為原料,利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣,在化學反應器中進行二氧化碳高效還原,在生物反應裝置中合成淀粉。”馬延和說。

此外,蔡韜表示,目前研究團隊規模尚小,希望與相關研究所、大學和企業等創新力量加強合作,推進人工合成淀粉工程化進程。

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。”中科院副院長、中科院院士周琪表示,后續研究團隊還需要盡快實現從“0到1”到“1到10”突破和“10到100”的突破,最終真正解決人類發展面臨的重大問題。

相關論文信息:

DOI:10.1126/science.abh4049

 
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