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打破光合作用壁垒,人工合成淀粉速率是植物制造的8.5倍

发布日期:2021-10-13  来源:新华日报  
资料来源 新华日报

【新华日报10月12日】“脱离光合作用、植物和土壤,中国科学家以二氧化碳为原料直接人工合成了淀粉……”近日,中国科学院召开新闻发布会介绍了这一科研成果,论文也在权威学术期刊《科学》上发表。

在努力实现碳达峰、碳中和目标的当下,合成淀粉让人们产生了无尽美好的想象,喝西北风将来可能不再是一句笑话了。人工合成淀粉为何能引起关注,它离现实有多远?《科技周刊》记者特邀江苏生物及食品领域专家进行解读。

自然到人工,“0”到“1”的突破

由中科院天津工业生物技术研究所主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文,于北京时间9月24日凌晨在著名国际学术期刊《科学》上线发表,这为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造“打开了一扇窗”。

科研团队最新突破的淀粉人工合成不仅步骤更少,而且还具有更高的能量转化效率与合成速度。该人工途径从太阳能到淀粉的理论能量转化效率是玉米的3.5倍,淀粉合成速率是玉米的8.5倍,突破了自然光合固碳系统利用太阳能的局限。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数推算,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亩土地玉米种植的平均年产量。

“传统的淀粉合成都是在植物细胞内进行的,但人工合成淀粉实现了淀粉的无细胞高效合成。”江南大学产业技术研究院院长,江南大学生物工程学院教授、博士生导师刘龙告诉记者,目前工业生产淀粉的原料主要来自于玉米等农作物。在农作物中,自然光合作用的淀粉合成与积累涉及到60多步生化反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率只有2%左右,而人工合成淀粉的路径只需要11步。

可以想象,到时我们所需的淀粉,可以利用空气中的二氧化碳作为原料,通过类似生产啤酒发酵一样的过程,在生产车间中制造出来,这将对未来的农业生产、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,是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果,是典型的“0”到“1”的原创性突破。

刘龙表示,人工合成淀粉意义重大。首先,农作物的种植通常需要较长周期,需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。一旦人工合成淀粉的效率高于植物淀粉的合成,则可以减少农作物的种植面积,实现退耕还林,避免农药、化肥等对环境的负面影响,推动形成可持续的生物基社会,提高人类粮食安全水平。并且,人工合成淀粉相对于植物合成淀粉生产过程可控性更强,不易受到环境变化影响,产量更稳定,这为粮食淀粉可持续供给提供了技术支持。

此外,人工合成淀粉可以实现利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP),这为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路;同时,类似火星等星球大气中存在着大量的CO2,人工合成淀粉技术让未来外星粮食的生产成为了可能。

从阳光到甲醇,再到淀粉

那么人工合成淀粉究竟如何实现?中科院天津工业生物研究所副所长王钦宏在接受采访时介绍,这是一个从阳光到甲醇再到淀粉的过程。首先,通过光伏发电将光能转变为电能,通以光伏电水解产生氢气;然后,通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。

刘龙介绍,中科院天津工业生物所科研团队采用一种类似“搭积木”的方式,设计了一条从C1(一碳化合物)到Cn(多碳化合物)的新路径。他们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)。科研团队从头设计出11步反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成,突破了自然界淀粉合成的复杂调控障碍。

刘龙表示,这种类似于搭积木的过程,是将不同模块间彼此匹配的子类型组装在一起,够最终构建出人工淀粉的合成途径。然而模块中所涉及的催化酶,由于催化效率较低,反馈抑制,需要人工设计和定向进化,提高酶的催化效率和解除抑制效果。

甲醇转化为淀粉,自然界中并不存在这样的生命过程。对人工合成而言,关键是要制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62种生物酶催化剂,最终优中选优,选了共10种酶将甲醇逐步转化为淀粉。这种路径不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。

此外,人工合成出淀粉和我们常见的淀粉组成并无不同。中科院天津工业生物所副研究员蔡韬在接受采访时表示,人工合成的淀粉实际与自然的淀粉并没有区别。在核磁共振的检测下,人工合成的直链与支链淀粉和自然界中的直链与支链淀粉得到核磁的结果是一模一样的。

尽管人工合成淀粉的实验已经成功,其理论产率也高于传统合成方式,但目前还处于实验室阶段,实际产量尚未达到工业化合成的水平,还需实现从“0到1”的概念突破到“1到10”的转换。如何优化人工合成淀粉的能量利用效率和合成速率,如何降低成本实现工业化生产是科研团队今后要攻克的目标。

合成生物学应用前景广阔

人工合成淀粉的背后,是国内外合成生物学近年来的突飞猛进。

合成生物学也被称为“工程生物学”,旨在阐明并模拟生物合成的基本规律,设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统,从而建立药物、功能材料、能源替代品等的生物制造途径。合成生物学是生命科学在21 世纪新的分支学科,打开了从非生命的化学物质向人造生命转化的大门,为探索生命起源与进化开辟了崭新的途径。

近年来,江苏高校和科研院所在合成生物学领域成果不断。来自西交利物浦大学生物科学系的大学生通过将基础的基因模块植入细胞体内,构造出一个复杂的生物系统,为肠道内金黄色葡萄球菌的感染提供了新的治疗方法。

据了解,金黄色葡萄球菌属于毒性极高的细菌,一旦侵染肠道,便会造成严重腹泻,甚至死亡。而抗生素的滥用导致很多此属细菌已对多种类型的抗生素产生抗药性,因此金黄色葡萄球菌感染是目前临床治疗上一个尚待解决的难题。

“我们的想法是通过基因改造乳酸乳球菌,使之在金黄色葡萄球菌特有的群体感应系统的影响下,近距离分泌出具有极强杀伤作用的抗菌肽,来杀死金黄色葡萄球菌。” 西交利物浦大学生物科学系学生龚依静介绍说,“此外我们还利用逻辑门对整个生物回路进行有效的调控,这样既能治愈金黄色葡萄球菌感染,又能使益生菌栖居肠道,调节微生态平衡。”

作为科学界的新生力量,合成生物学进展迅速,并已在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景。据介绍,合成生物学的主要研究内容分为三个层次:一是利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能;二是采用从头合成方法人工合成基因组DNA;三是人工创建全新的生物系统乃至生命体。举例来看,合成生物学能利用大肠杆菌生产大宗化工材料,摆脱石油原料的束缚;利用酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷,降低成本,促进新药研发;工程菌不“误伤”正常细胞,专一攻击癌细胞;创制载有人工基因组的“人造细胞”,探究生命进化之路;利用DNA储存数据信息并开发生物计算机等等。

合成生物学的发展离不开科研人员的创新,任何一项科学技术从实验室到工业的转化,都需要时间和积累。科学上的伟大突破未必一定会在应用上取得成功,但都让人类向着真理更近了一步。未来,无论人工合成淀粉能否产业化落地,科学家都为人类找到了一条崭新之路。


本文来源于:新华日报http://xh.xhby.net/pc/layout/202110/13/node_1.html

原文链接:http://xh.xhby.net/pc/layout/202110/13/node_13.html#content_980461

阅读( (编辑:张青)

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