跨越式突破 中国首次在实验室实现人工合成淀粉

更新日期:2022年07月28日

       实验室“长出”淀粉(科技自强)中科院天津工业生物技术研究所副研究员蔡涛在实验室展示人工合成淀粉样品(9月摄) 16)。食物不需要土地种植, 可以在生产车间生产。今天, 这种看似不可能的想象正在成为可能。日前, 中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物研究所”)在淀粉人工合成方面取得重大突破, 实现了二氧化碳从头合成淀粉。世界上第一个实验室。该成果于北京时间9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。 “这也意味着, 未来我们需要的淀粉可以在生产车间以二氧化碳为原料, 通过类似于酿造啤酒的工艺生产出来。”天津工业生物研究所所长马延和说。
       将二氧化碳还原为甲醇,

再转化为淀粉淀粉是人类食物最重要的成分, 也是重要的工业原料。目前,

淀粉主要由作物通过光合作用转化阳光、二氧化碳和水来生产。长期以来, 研究人员一直在努力改善光合作用的生命过程, 希望提高二氧化碳和光能的利用效率, 最终提高淀粉的生产效率。此次, 天津工业生物研究所的研究人员成功开创了利用电解产生的二氧化碳和氢气合成淀粉的人工路线。
       该路线涉及11个核心生化反应, 淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍。从能量的角度来看, 光合作用的本质是将阳光能转化为储存在淀粉中的化学能。因此, 将光能高效地转化为化学能并储存起来就成为关键。 “我们想到了光能-电能-化学能的能量转换方式。”天津工业生物研究所副所长王钦宏介绍说:“首先, 光伏发电将光能转化为电能, 通过光伏电解产生氢气;然后, 通过催化剂, 利用氢气将二氧化碳还原为甲醇, 将电能转化为电能。”转化为储存在甲醇中的化学能。这个过程的能量转换效率在10%以上, 远远超过光合作用的能量利用效率。“自然界中没有甲醇合成淀粉的生命过程。 .王钦宏说:“要人为地实现这个过程, 关键是要创造出自然界不存在的酶催化剂。”研究人员从动物、植物、微生物等31种不同物种中挖掘转化了62种生物酶催化剂。在最后的最佳成绩中, 使用 10 种酶逐步将甲醇转化为淀粉。该途径不仅可以合成易消化的支链淀粉, 还可以合成缓慢消化和缓慢上升的直链淀粉。 “也许在不久的将来, 我们不用耕种就能满足我们对碳水化合物的需求, ”王钦宏说。在不依赖植物光合作用和人工合成碳水化合物的情况下, 在人工合成途径的构建上实现跨越式的突破, 一直是世界各国科学家的梦想。此前, 中国科学家杨培东带领团队利用聚糖反应成功地将二氧化碳转化为多种单糖混合物。 “然而, 他们还没有达到复杂的碳水化合物的人工指导合成。天津工业生物研究所副研究员蔡涛说:“也就是说, 他们的路线方法合成了多种单糖化合物的混合物, 很难直接指导其中一种。据专家介绍, 高效人工合成淀粉的挑战主要来自三个方面:低密度太阳能到高密度电能和氢能,

低浓度二氧化碳到高浓度二氧化碳, 复杂合成路线到简单合成路线。经过我们的努力, 前两个问题已经基本解决。马延河说。他介绍, 首先是跨越人工通路的进化鸿沟。它克服了不同来源和遗传背景的生物酶之间的热力学和动力学不匹配, 以及碳从二氧化碳转化为淀粉的速率和效率等瓶颈。二是缩小从虚拟到现实的差距。团队可以用计算机设计出很多合成途径, 通过各种模块的组装和适配, 最终筛选出合格的途径, 实现了人工淀粉合成。 “经过分析鉴定, 我们的合成淀粉样品在成分和理化性质上与天然淀粉完全一样。
       ”蔡涛说。据科研团队介绍, 在能源供应充足的情况下, 根据按照目前的技术参数, 1立方米生物反应器的理论年淀粉产量相当于我国5亩土地上玉米年均产量。淀粉生产进入工业车辆。不同生产方式之间的生产方式转换成为可能, 为以二氧化碳为原料合成复杂分子开辟了一条新的技术路线。 “创新的科研组织模式, 让不同专业的团队在关键问题上进行协作。专家预测, 如果系统过程的成本能够降低到与农业种植相当的经济可行性,

将节省90%以上的耕地和淡水资源, 避免农药、化肥等对环境的负面影响, 提高人类粮食安全, 促进碳中和生物经济发展。重大原创性突破的背后, 除了努力和坚持科研团队多年, 科研组织模式创新缺一不可。自2015年以来, 天津工业生物研究所一直专注于淀粉的人工合成和二氧化碳的生物转化与利用, 开展以需求为导向的科学与技术研究, 汇聚院内外创新资源加强“学科-任务-平台”融合, 实现各方科研力量的融合。
       有机融合,

高效协作。研究所根据项目研究需要配置人才, 形成了一支平均年龄30岁的优秀青年科学家队伍。传统的科研模式一般以课题组形式进行。优点是可以专注于一个领域方向, 但并不是所有的研究项目都适合这种模式。马延和说:“比如我们的项目是一个多领域、多方位的交叉工作, 需要组织不同专长的人和团队, 协作才能完成, 传统的科研模式是“显然不适合。”“研究所根据项目特点, 开创了一种新的科研组织模式, 即立体化管理模式。”立体化管理模式, 具体来说, 由研究所统一拨款, 设立整体研究部、研究组和平台实验室。蔡涛说:“整体研究部负责项目矩阵管理;研究组是根据领域方向和学科布局成立的专题组, 实现专业分工;平台实验室负责提供设备“在这个新模式中, 我们会提前在整个项目层面进行具体的分析, 具体到哪一步要实现, 谁需要做哪些任务。”蔡涛说, “比如通路的设计, 由研究所生物设计中心的科技团队负责, 总研究部将任务分解, 委托给他们相关的研究任务。简单来说, 这种模式让专业的人更容易做专业的事情, 而全预算的方式也可以保证团队一直在做这件事。”项目实施过程中, 承担子任务的科研团队会也要严格考核。考核不合格的团队, 将由新的团队更换, 重新完成任务。”整个项目过程中, 共有十多个小团队参与。”蔡涛说, “不同的团队聚在一起, 共同为一件事、一个目标、一项任务, 协同攻关, 最终实现了独创性的重大突破。”

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