中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)的生物制造提供了新途徑

　　23日，記者在中國(guó)科學(xué)院舉行的新聞發(fā)布會(huì)上獲悉，經(jīng)過(guò)多年研究攻關(guān)，我國(guó)在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的全合成。從二氧化碳人工合成淀粉被國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為是影響世界的重大顛覆性技術(shù)，這一成果24日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。

　　在玉米等農(nóng)作物中，自然光合作用的淀粉合成與積累涉及60多步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，理論能量轉(zhuǎn)化效率為2%左右。通過(guò)多年研究攻關(guān)，中科院天津工業(yè)生物所科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合大連化物所，采用一種類(lèi)似“搭積木”的方式，通過(guò)耦合化學(xué)催化和生物催化模塊體系，實(shí)現(xiàn)了“光能—電能—化學(xué)能”的能量轉(zhuǎn)變方式，成功構(gòu)建出一條從二氧化碳到淀粉合成只有11步反應(yīng)的人工途徑。

　　中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜：我們研究團(tuán)隊(duì)提出了化學(xué)和生物耦合催化合成淀粉的一個(gè)新的思路，目前在實(shí)驗(yàn)室只需要幾個(gè)小時(shí)就可以完成農(nóng)作物需要幾個(gè)月的淀粉合成過(guò)程。

　　科研團(tuán)隊(duì)最新突破的淀粉人工合成不僅步驟更少，而且還具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率與合成速度。該人工途徑從太陽(yáng)能到淀粉的理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，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)于我國(guó)5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

　　中科院天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)馬延和：雖然現(xiàn)在還是處于實(shí)驗(yàn)室階段，未來(lái)還需要有更多的科學(xué)挑戰(zhàn)，但一旦工業(yè)實(shí)現(xiàn)，它會(huì)對(duì)我們的糧食安全到二氧化碳的利用，到我們雙碳的目標(biāo)都會(huì)起到非常重大的支撐作用。

　　《科學(xué)》雜志國(guó)際及學(xué)術(shù)出版合作總監(jiān)初曉英：它是人工合成淀粉這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，也是從國(guó)際上來(lái)說(shuō)第一次（在實(shí)驗(yàn)室）從二氧化碳合成了淀粉的整個(gè)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程對(duì)生物合成生物制造的領(lǐng)域是一個(gè)重大的里程碑式的突破，然后下一步對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、對(duì)工業(yè)的生物制造實(shí)際上提供了一個(gè)新的途徑，有非常重大的推進(jìn)意義。

　　三大核心突破實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉>>

　　淀粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料。從二氧化碳人工合成淀粉這一顛覆性技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的？核心突破究竟在哪兒？

　　亮點(diǎn)1：能量轉(zhuǎn)化效率提升3.5倍突破自然光合固碳系統(tǒng)利用太陽(yáng)能的局限

　　為了設(shè)計(jì)超越自然能力的固碳淀粉合成途徑，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出將化學(xué)與生物催化相耦合的方案，從約7000個(gè)生化反應(yīng)中、構(gòu)建形成只有11步主反應(yīng)的固碳淀粉人工合成途徑，將理論能量轉(zhuǎn)化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成為可能。

　　亮點(diǎn)2：從60多步到11步突破自然界淀粉合成的復(fù)雜調(diào)控障礙

　　在計(jì)算設(shè)計(jì)的人工途徑中，生物酶催化劑是成功構(gòu)建這條途徑的核心關(guān)鍵。科研團(tuán)隊(duì)從動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種來(lái)源挖掘合適的生物酶催化劑，構(gòu)建了一條只有11步反應(yīng)的人工淀粉合成途徑，與自然界淀粉合成需要的60多個(gè)步驟相比，顯著降低了合成的復(fù)雜度。

　　亮點(diǎn)3：突破天然淀粉合成時(shí)空效率不高的限制

　　由于缺少自然途徑上億年的進(jìn)化過(guò)程，人工途徑中來(lái)源于不同物種的生物酶催化劑間存在難以適配的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了模塊組裝優(yōu)化與時(shí)空分離反應(yīng)策略，解決了人工途徑中底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制等問(wèn)題，最終獲得了淀粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。

　　人工合成淀粉：工業(yè)化之路面臨眾多挑戰(zhàn)>>

　　從二氧化碳人工合成淀粉的參數(shù)計(jì)算，1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量，可以相當(dāng)于5畝玉米淀粉產(chǎn)量。那么人工合成的淀粉和自然界的淀粉有何異同？淀粉生產(chǎn)的工業(yè)化之路還面臨哪些挑戰(zhàn)呢？一起聽(tīng)聽(tīng)專(zhuān)家的解讀。

　　中科院天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)馬延和：通過(guò)人工這個(gè)途徑所出來(lái)的淀粉，目前主要還是直鏈淀粉，當(dāng)然現(xiàn)在我們也可以加入一個(gè)分支酶，把它可以做成支鏈淀粉�，F(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室我們有了一點(diǎn)樣品，但是還沒(méi)有去做應(yīng)用。

　　中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜：最重要的就是我們通過(guò)我們科學(xué)這樣的金標(biāo)準(zhǔn)，就是核磁檢測(cè)，我們拿我們的合成的直鏈（淀粉）和支鏈（淀粉）和自然界中的直鏈（淀粉）和支鏈（淀粉）一起去比，得到核磁的結(jié)果是一模一樣，所以我們可以說(shuō)我們合成的淀粉實(shí)際上就是和自然的淀粉是沒(méi)有區(qū)別的。

　　科研團(tuán)隊(duì)介紹，雖然人工合成淀粉這一路徑已經(jīng)打通，但是目前僅在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了少量的淀粉樣品，要真正實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉的工業(yè)化，還面臨很多挑戰(zhàn)。

　　中科院天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)馬延和：如果變成工業(yè)化，就是我們說(shuō)以合成生物學(xué)的這種理念，重新設(shè)計(jì)生物體甚至生物體的功能，然后讓它能夠突破自然生物的局限，就可以大大縮短它的生產(chǎn)周期和降低它的成本。

　　中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士周琪：這項(xiàng)工作是符合中國(guó)科學(xué)院在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以社會(huì)的重大需求和人類(lèi)面臨的重大問(wèn)題作為我們的出發(fā)點(diǎn)，多學(xué)科的交叉和學(xué)科的融合，這會(huì)是未來(lái)科技創(chuàng)新的模式和方式。