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【农民日报】我国科学家在国际上首次实现二氧化碳人工合成淀粉

发布时间:2021-09-25

来源:农民日报 郑惊鸿【字号:

  近期,亚博yabo888vip网页版登录天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大原创性突破,按照工程化原理,利用生物计算技术,设计构建了非自然的二氧化碳固定还原与淀粉合成新路径,国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,使淀粉生产的单一传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,该研究成果将可能为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线,不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义,将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响,其相关成果于北京时间9月24日在国际知名学术期刊《科学》在线发表。这是记者9月23日从亚博yabo888vip网页版登录召开的2021年首次新闻发布会上获悉的。

  淀粉是粮食最主要的成分,既是人类及动物最重要的碳和能量来源,同时也是重要的工业原料。通常是由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,其合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控。粮食危机、气候变化是当下人类面临的重大挑战,不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉是世界重大课题,此前德国、以色列、澳大利亚等国科学家积极探索,但始终没有取得突破性进展。

  中科院天津工业生物技术研究所团队,自2015年开始采用了一种类似“搭积木”的方式,从头构建了11步主反应的非自然二氧化碳固定与淀粉合成新途径,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物),在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成,其人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,按照目前技术参数推算,在能量供给充足条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算)。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线,向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

  对于中国科学家的这一成果,德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹,美国工程院院士延斯·尼尔森,日本神户大学副校长兼教授近藤昭彦等国际知名专家均给予高度评价,认为这一重大突破将该领域研究向前推进了一大步,将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响,该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉提供新的技术路线,如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将有可能会节约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,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续的生物基社会。

  中科院副院长周琪表示,目前成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有距离,后续需要尽快实现从0到1进而从1到10的突破。该项目是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向,中科院将集成相关科技力量,一如既往地支持该项研究深入推进。当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成,正是应对挑战的重大科技问题之一。

(原载于《农民日报》 2021-09-25 02版)

(责任编辑:阎芳)

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