中国科学家重大突破!网友:西北风真的能吃了?

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以二氧化碳为原料,

不依赖植物光合作用,

直接人工合成淀粉

看似科幻的一幕,

真实地发生在实验室里。

我国科学家首次实现了

二氧化碳到淀粉的从头合成,

相关成果北京时间24日

由国际知名学术期刊《科学》在线发表。

淀粉是粮食最主要的成分,通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累,涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。人工合成淀粉是科技领域一个重大课题。此前,多国科学家积极探索,但一直未取得实质性重要突破。

在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室,科研人员展示人工合成淀粉样品。图源:新华社(下同)

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。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。

科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理(从左至右)在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影。

实验室初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

马延和介绍,此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径,并使其工作效率大幅高于自然生物过程,跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破,为淀粉的车间生产打开一扇窗口,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

对于此次成果,德国科学院院士曼弗雷德雷兹、美国工程院院士延斯尼尔森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。

中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品。

中科院副院长周琪说,成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有距离,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

据了解,经科技部批准,天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标,一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题,另一方面要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

网友:

以后西北风真的可以吃了

五问人工合成淀粉新成果

一问:为什么要合成淀粉

“我们是想把非常慢的、大面积种植的农业过程,变成高效的、集中化的工业过程。”论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬说,“农作物生长周期长、需要大面积种植,而且用于提高产量的各种育种技术已进入平台期,如何更高效地生产淀粉成为一个巨大挑战。”。

从2015年开始,天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。“之所以选择做淀粉的人工合成研究,是因为淀粉很重要。它是农耕文明的核心分子,提供了人类生存所需的热量。”蔡韬说。

二问:淀粉是怎么被合成出来的

“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料,将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物,然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。”蔡韬说。

经过各种优化,科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步,并实现了精准调控。“这就是我们最初的梦想——凭空制造,随心所欲。”论文通讯作者,天津工业生物所所长、研究员马延和说。

三问:人工合成淀粉跟自然淀粉一样吗

“如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝,大概会像意大利面那样劲道。”马延和表示,自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起,目前实验室里合成的主要是直链淀粉,合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。

“在外观上,人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。”蔡韬说,实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态,“是比较稀的淀粉糊糊,干燥后会变成粉状”。

四问:有可能实现工业化生产吗

科研人员表示,有潜力也有挑战。

蔡韬告诉记者,按照目前的技术参数,在能量供给充足的条件下,1立方米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平均年产量,这为淀粉生产的车间制造提供了可能。

同时,蔡韬也直言,产业化应用还有很大挑战。一方面,在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决;另一方面,就经济性而言,从控制过程成本初步计算,只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍,淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍,才能与农业种植竞争。因此,实现工业化生产,还需解决诸多的科技难题。

五问:接下来还要做什么

“我们做的是应用导向的基础研究,目前取得的只是阶段性进展,后面还面临着很多难题。”蔡韬表示,科研团队已经迈出了第一步,即从理解细胞的基础代谢原理到设计细胞外生物化学反应途径。

接下来,他们还要建立从二氧化碳到淀粉的可控网络和生态系统,并尝试在细胞内实现淀粉的人工合成。

产业化也是他们努力的方向。“我们计划在未来5至10年内,建立工业示范,以工业尾气为原料,利用光伏等可再生电源分解水提供氢气,在化学反应器中进行二氧化碳高效还原,在生物反应装置中合成淀粉。”马延和说。

此外,蔡韬表示,目前研究团队规模尚小,希望与相关研究所、大学和企业等创新力量加强合作,推进人工合成淀粉工程化进程。

“中国科学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。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示,后续研究团队还需要尽快实现从“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破,最终真正解决人类发展面临的重大问题。

相关论文信息:Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide

来源:新民晚报(xmwb1929)综合新华社、中国科学报、网友评论

(原标题《中国科学家重大突破!网友:西北风真的能吃了?》)

编辑 范锦桦 审读 吴剑林 审核 詹婉容

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