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世界首次!二氧化碳到淀粉人工全合成!我国“0到1原创性突破”今登《科学》

发表时间:2021-09-24 17:28


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告别“看天吃饭”,梦想更近一步!大口“吞”进二氧化碳,大批产出淀粉粮食——除了植物,或许在不久的将来,人类的工厂车间也能做到,且效率比植物高出数倍。

今天凌晨,国际权威学术期刊《科学》发表中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)的重大突破性进展,在实验室里,他们在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的人工全合成,其淀粉人工合成效率是玉米作物的8.5倍。未来技术若可实现工业化应用,将可节省超过90%的耕地与淡水资源。

国内外专家高度评价该成果是“典型的0到1原创性突破”,不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。

突破自然进化局限,合成效率倍增

清代美食家袁枚在《随园食单》中写道:“粥饭本也,余菜末也”。淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,也是全球几十亿人口最重要的食物原料之一。同时,它还是重要的工业原料。

目前,淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,其合成与积累涉及60余步代谢反应和复杂的生理调控,理论能量转化效率约为2%。

早在我国“十三五”规划起步阶段,天津工业生物所就开始组织实施中国科学院重点项目“二氧化碳的人工生物转化”。研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式,联合中国科学院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下,还原成甲醇。接下来,他们利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的从甲醇到淀粉的人工合成路线ASAP。

为将设计蓝图变为现实,科研人员挖掘、改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个生物酶逐步将甲醇转化为淀粉。

据该项目科研人员介绍,整个过程可在一个生物反应器中进行,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米生物反应器年产淀粉量相当于种植5亩玉米的淀粉平均年产量。值得一提的是,ASAP不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。

起初,“诞生”不久的人工合成途径,其系统兼容性无法与经过数十亿年选择而进化获得的自然途径相比。通过研究团队不断优化,目前ASAP的淀粉生产率较初期途径提高了约150倍,其淀粉合成速率已达到玉米淀粉合成速率的8.5倍,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

农业生产有望由碳“源”向碳“汇”转变

粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战,粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用是当今世界科技创新的战略方向。不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉,将是影响世界的重大颠覆性技术。

天津工业生物所的这项成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

该成果得到国内外专家的高度评价,认为该工作是“扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破,是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”,将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。


农作物的种植通常需要较长周期,还需要使用大量土地、淡水等资源,以及肥料、农药等农业生产资料。因此,农业生产本身既是碳“源”,又是碳“汇”。如果能把节约的大量土地通过土地利用的变化、土地整治等增加碳汇,那么就可使农业生产由碳“源”变成碳“汇”。

基于国家统计局相关数据推算,我国农地(耕地、园地)平均碳排放量约为每公顷500吨。如果一个3吨发酵罐与1公顷土地淀粉产量相当,那么同等替代就可以实现减排,对“碳中和”将起到显著促进作用。

合成生物技术的应用,颠覆了农业传统产业模式,为社会经济问题提供解决方案,创造价值链高端的新经济增长点。未来,人类可进一步优化种植业结构,减少资源高消耗、化学品大投入的农作物种植,使农业生产由区域性单一种植向农林牧渔的多元化转变,由单一农产品供给功能向增加碳汇、保护生态环境的功能转变。

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