近期，中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成方面取得突破性進展，在國際上首次實現(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)表在國際學術(shù)期刊《科學》上。
9月23日，中科院就此召開新聞發(fā)布會，對成果及其進展進行解讀。會上，中科院副院長、黨組成員周琪表示，當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)對挑戰(zhàn)的重大科技問題之一。該成果目前尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當長的距離，后續(xù)還需要盡快實現(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研究深入推進。
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，在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團隊采用一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合中科院大連化學物理研究所，利用化學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)計構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學聚糖反應(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)計自然、超越自然目標的實現(xiàn)邁進一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新科學基礎(chǔ)。
該研究通過耦合化學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)時空分離優(yōu)化，解決了人工途徑中底物競爭、產(chǎn)物抑制、熱/動力學匹配等問題，擴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)淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量（按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算）。
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)濟可行性，將可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，同時減少農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展，推動形成可持續(xù)的生物基社會。
成果得到國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u價，認為是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”，是“擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”，其“不僅對未來的農(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部署項目、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動等資助和支持，是國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心的重點研究方向。
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，開展需求導向的科技攻關(guān)，集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源，加強“學科-任務(wù)-平臺”整合，實現(xiàn)各方科研力量的有機融合和高效協(xié)同。研究所根據(jù)項目研究需求進行人才布局，組建了當初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學家團隊，充分發(fā)揮各成員學科優(yōu)勢與技術(shù)特色，實行“項目制”管理機制，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，團隊成員為做一件事、一個目標、一個任務(wù)，深耕6個春秋。
利用人工途徑從二氧化碳合成淀粉