植物的光合作用，也許是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。它可以利用太陽(yáng)的光照將二氧化碳等無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物，讓地球充滿生機(jī)。如何不依賴植物光合作用，設(shè)計(jì)人工系統(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)。

近日，這一科學(xué)難題被我國(guó)科學(xué)家率先突破，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首次二氧化碳到淀粉的從頭合成。該研究由中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所完成，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)》。

2021年8月30日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所蔡韜副研究員在實(shí)驗(yàn)室展示人工合成淀粉樣品。中國(guó)科學(xué)院科技攝影聯(lián)盟供圖

人工光合作用取得新突破

淀粉首次在實(shí)驗(yàn)室從頭合成

淀粉不僅是糧食的最主要成分，同時(shí)也是重要的工業(yè)原料。作為一種高分子碳水化合物，它的合成與積累過(guò)程事實(shí)上相當(dāng)復(fù)雜，涉及60余步代謝反應(yīng)以及精妙的生理調(diào)控。

為了實(shí)現(xiàn)淀粉的人工合成，中科院研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)從頭設(shè)計(jì)反應(yīng)鏈，僅用11步，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。

論文通訊作者、天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和介紹，團(tuán)隊(duì)采用了一種類似“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分子中只含有一個(gè)碳原子的化合物（簡(jiǎn)稱“碳一化合物”），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化合物，再進(jìn)一步合成直鏈和支鏈淀粉。

合成速率高于自然植物

打開(kāi)車間制造窗口

在談到這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)可能的應(yīng)用方向時(shí)，馬延和表示，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。

“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。”馬延和介紹說(shuō)，自然界植物合成淀粉的速率其實(shí)是相當(dāng)慢的，這一人工系統(tǒng)的構(gòu)建，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

馬延和介紹，按照目前技術(shù)參數(shù)，在能量供給充足的情況下，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。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，未來(lái)的效率還將進(jìn)一步提升。

“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，將有可能節(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)。”馬延和說(shuō)。

人工合成淀粉樣品。中國(guó)科學(xué)院科技攝影聯(lián)盟供圖

國(guó)內(nèi)外專家高度評(píng)價(jià)

是一項(xiàng)“頂天立地”的重大原創(chuàng)成果

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(lái)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(wèn)題之一。因此，這一成果一經(jīng)問(wèn)世，便得到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u(píng)價(jià)。

中國(guó)工程院院士、江南大學(xué)原校長(zhǎng)陳堅(jiān)認(rèn)為，這項(xiàng)工作是典型的0到1的原創(chuàng)性成果，不僅對(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。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員趙國(guó)屏評(píng)價(jià)說(shuō)，該工作是擴(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。

“這項(xiàng)研究成果將對(duì)下一代生物制造和農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。”日本神戶大學(xué)副校長(zhǎng)兼教授、日本理化研究所可持續(xù)資源科學(xué)中心副主任近藤昭彥表示。

中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)周琪指出，這一成果目前尚處于實(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(wèn)題和需求的有效手段和工具。

“中國(guó)科學(xué)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)。”周琪表示。

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