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近期，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱“天津工業(yè)生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關(guān)工作于9月24日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
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(zhuǎn)化利用是當今世界科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向。不依賴植物光合作用，設(shè)計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)。
天津工業(yè)生物所從頭設(shè)計了11步反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與淀粉合成新途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合中國科學(xué)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，然后通過設(shè)計構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)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）。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，系統(tǒng)適配跨越了自然途徑數(shù)億年的進化，向設(shè)計自然、超越自然目標的實現(xiàn)邁進了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
該研究通過耦合化學(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(xué)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)，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產(chǎn)量（按我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(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。
該成果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，如果未來該系統(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，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。
天津工業(yè)生物所自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(dǎo)向的科技攻關(guān)，集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源，加強“學(xué)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(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)，深耕六個春秋。
該成果得到國內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u價，認為該工作是“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?！薄安粌H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?！薄皩⒃谙乱淮镏圃旌娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響?！?/p>
該研究工作獲得了中國科學(xué)院重點部署項目、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動等項目前瞻性的資助和支持，是國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心的重點研究方向。（記者張鵬輝）
責任編輯：張鵬輝
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