近期，中國科學(xué)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(jìn)展，在國際上首次實(shí)現二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關(guān)成果于9月24日在線(xiàn)發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
9月23日，中科院就此召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )，對成果及其進(jìn)展進(jìn)行解讀。會(huì )上，中科院副院長(cháng)、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，科技創(chuàng )新已成為重塑全球格局、創(chuàng )造人類(lèi)美好未來(lái)的關(guān)鍵因素。二氧化碳的轉化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應對挑戰的重大科技問(wèn)題之一。該成果目前尚處于實(shí)驗室階段，離實(shí)際應用還有相當長(cháng)的距離，后續還需要盡快實(shí)現從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為解決人類(lèi)發(fā)展面臨重大問(wèn)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(jìn)。
目前，淀粉主要由玉米等農作物通過(guò)自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)，合成與積累涉及約60步代謝反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。農作物種植通常需較長(cháng)周期，并使用大量土地、淡水等資源和肥料、農藥等農業(yè)生產(chǎn)資料。
在該研究中，天津工生所從頭設計出11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實(shí)驗室中首次實(shí)現從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團隊采用一種類(lèi)似“搭積木”的方式，聯(lián)合中科院大連化學(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碳一（C1）化合物，然后通過(guò)設計構建碳一聚合新酶，依據化學(xué)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(guò)生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物聚合成碳六（C6）化合物，再進(jìn)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，向設計自然、超越自然目標的實(shí)現邁進(jìn)一大步，為創(chuàng )建新功能的生物系統提供了新科學(xué)基礎。
該研究通過(guò)耦合化學(xué)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(guò)程技術(shù)，通過(guò)反應時(shí)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(dòng)力學(xué)匹配等問(wèn)題，擴展了人工光合作用的能力。按照目前技術(shù)參數推算，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)的傳統農業(yè)種植模式向工業(yè)車(chē)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提供了新技術(shù)路線(xiàn)。如果未來(lái)該系統過(guò)程成本能夠降低至與農業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將可能節約90%以上的耕地和淡水資源，同時(shí)減少農藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，提高人類(lèi)糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展，推動(dòng)形成可持續的生物基社會(huì )。
成果得到國內外相關(guān)領(lǐng)域專(zhuān)家的高度評價(jià)，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(lái)的農業(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業(yè)生產(chǎn)中帶來(lái)變革性影響”。
該研究獲得中科院重點(diǎn)部署項目、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng )新能力提升行動(dòng)等資助和支持，是國家合成生物技術(shù)創(chuàng )新中心的重點(diǎn)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化利用，開(kāi)展需求導向的科技攻關(guān)，集聚所內外創(chuàng )新資源，加強“學(xué)科-任務(wù)-平臺”整合，實(shí)現各方科研力量的有機融合和高效協(xié)同。研究所根據項目研究需求進(jìn)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(xué)家團隊，充分發(fā)揮各成員學(xué)科優(yōu)勢與技術(shù)特色，實(shí)行“項目制”管理機制，集中力量攻克難題。在這種開(kāi)放、集成的新型科研組織模式下，團隊成員為做一件事、一個(gè)目標、一個(gè)任務(wù)，深耕6個(gè)春秋。
利用人工途徑從二氧化碳合成淀粉