我科學家在國際上首次實現人工合成澱粉

滿足碳水需求必須靠種地嗎?二氧化碳和氫氣在一起會發生怎樣的反應?

9月23日,中國科學院召開本年度首場新聞釋出會,介紹該院天津工業生物技術研究所在人工合成澱粉方面取得的重要進展。該所研究人員提出了一種顛覆性的澱粉製備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,成功生產出澱粉,在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成,使澱粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能,取得原創性突破。相關研究成果9月24日線上發表於《科學》雜誌。

澱粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物,是麵粉、大米、玉米等糧食的主要成分,也是重要的工業原料。

目前,澱粉主要由綠色植物透過光合作用固定二氧化碳進行合成。在玉米等農作物中,將二氧化碳轉變為澱粉涉及60餘步的代謝反應和複雜的生理調控,太陽能的理論利用效率不超過2%。農作物的種植通常需要數月的週期,使用大量的土地、淡水、肥料等資源。

“長期以來,科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程,希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率,最終提升澱粉的生產效率。”論文通訊作者、中科院天津工業生物技術研究所所長馬延和直言。

那麼,除了光合作用外,還有沒有效率更高的二氧化碳生產澱粉的方式?

為解決這一難題,中科院天津工業生物技術研究所研究人員從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成澱粉新途徑,在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。

研究團隊採用了一種類似“搭積木”的方式,聯合中科院大連化學物理研究所,利用化學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,然後透過設計構建碳一聚合新酶,依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最後透過生物途徑最佳化,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澱粉(Cn化合物)。

“這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍,向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步,為建立新功能的生物系統提供了新的科學基礎。”論文第一作者、中科院天津工業生物技術研究所副研究員蔡韜說。

在充足能量供給的條件下,按照目前的技術引數推算,理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於我國5畝土地玉米種植的平均年產量。這一成果使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能,併為二氧化碳原料合成複雜分子開闢了新的技術路線。

馬延和表示,該成果為從二氧化碳到澱粉生產的工業車間製造打開了一扇窗,如果未來該系統過程成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性,將會節約90%以上的耕地和淡水資源,避免農藥、化肥等對環境的負面影響,提高人類糧食安全水平,促進碳中和的生物經濟發展,推動形成可持續的生物基社會。

同時,中國科學院副院長、黨組成員,中國科學院院士周琪在釋出會上強調,這項成果尚處於實驗室階段,離實際應用還有相當長的距離,後續還需要儘快實現從“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發展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。

此外,該成果也得到了國內外領域專家的高度評價。《科學》雜誌新聞部執行主任梅根·菲蘭認為,該研究成果將為我們未來透過工業生物製造生產澱粉這種全球性重要物質提供新的技術路線;中科院院士趙國屏表示,這是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果;德國科學院院士、歐洲科學院院士曼弗雷德·雷茲稱,本項工作將該領域的研究向前推進了一大步,同時將天津工業生物技術研究所推向了國際頂尖水平。