二氧化碳能合成淀粉嗎？對這個貌似天方夜譚的問題，中國科學家歷時6年多科研攻關給出肯定和詳細的答案。繼上世紀60年代在世界上首次完成人工合成結晶牛胰島素之后，中國科學家又在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國際上首次在實驗室實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。
由中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所(中科院天津工業(yè)生物所)主導完成的人工合成淀粉重大科技突破進展成果論文，北京時間9月24日凌晨在著名國際學術期刊《科學》上線發(fā)表，從而為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造“打開了一扇窗”。
中科院天津工業(yè)生物技術研究所科研人員在實驗室展示人工合成淀粉樣品。中科院科技攝影聯(lián)盟 ?供圖
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)提供新的科學基礎，也將為未來從二氧化碳合成淀粉開辟嶄新道路，使未來淀粉的工業(yè)化生物制造成為可能。
業(yè)內專家稱，如果未來二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，推動形成可持續(xù)的生物基社會，提高人類糧食安全水平。同時，最新研究成果實現(xiàn)在無細胞系統(tǒng)中用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的化學-生物法聯(lián)合的人工淀粉合成途徑(ASAP)，為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現(xiàn)的技術路線提供一種新思路。
中科院天津工業(yè)生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成淀粉樣品。中科院科技攝影聯(lián)盟 ?供圖
中科院天津工業(yè)生物所介紹說，淀粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業(yè)原料。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)，淀粉合成與積累涉及60余步代謝反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。農(nóng)作物的種植通常需要較長周期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰(zhàn)，糧食淀粉可持續(xù)供給、二氧化碳轉化利用是當今世界科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向。而不依賴植物光合作用，設計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，是影響世界的重大顛覆性技術。
該所自2015年起聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉化利用，開展需求導向科技攻關，集聚所內外創(chuàng)新資源，加強“學科-任務-平臺”整合，實現(xiàn)各方科研力量的有機融合和高效協(xié)同，組建當初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學家團隊，持續(xù)6年深耕人工合成淀粉項目研發(fā)。
青年科學家團隊從頭設計出11步反應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。他們采用一種類似“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，然后通過設計構建碳一聚合新酶，依據(jù)化學聚糖反應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，將碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。
該團隊還通過耦合化學催化與生物催化模塊體系，創(chuàng)新高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過程技術，通過反應時空分離優(yōu)化，解決人工途徑中底物競爭、產(chǎn)物抑制、熱/動力學匹配等問題，擴展人工光合作用的能力。按照目前技術參數(shù)，在能量供給充足條件下，理論上1立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量(按中國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算)。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)模式轉變成為可能，并為二氧化碳原料合成復雜分子開辟新的技術路線。
中國科學家在淀粉人工合成方面取得的重大顛覆性成果，也獲中外同行專家高度評價，認為這是“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域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”“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”。?(記者 孫自法)
