人工合成淀粉 從慢慢種變快速造

圖/東方IC

糧食不需要土地種植，可以在生產(chǎn)車間中制造出來。如今，這個(gè)看似天方夜譚的想象正在成為可能。

日前，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（下稱“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(jìn)展，在國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該成果于北京時(shí)間9月24日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

“這也意味著，我們所需要的淀粉，今后可以將二氧化碳作為原料，通過類似釀造啤酒的過程，在生產(chǎn)車間中制造出來。”天津工業(yè)生物所所長馬延和說。

為淀粉工業(yè)生產(chǎn)打開一扇窗

淀粉是人類糧食的最主要成分，主要由農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成。人們獲取淀粉，主要是直接從玉米、薯類等農(nóng)作物中提取。從2015年開始，天津工業(yè)生物所科研團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了人工合成淀粉項(xiàng)目。但是，淀粉并非稀缺資源，人工合成淀粉有什么重要意義？

“農(nóng)作物生長周期長，需要大面積種植，如何更高效地生產(chǎn)淀粉成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”論文第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜解釋，“我們選擇做淀粉的人工合成研究，是想把非常慢的、大面積種植的農(nóng)業(yè)過程，變成高效的、集中化的工業(yè)過程?！?/p>

糧食危機(jī)、氣候變化是人類面臨的重大挑戰(zhàn)。全球以淀粉為原料的產(chǎn)品大約有3萬多種，找到更廉價(jià)、更大量的替代淀粉非常重要。不依賴植物光合作用，設(shè)計(jì)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)。“我們中科院是科研國家隊(duì)，就要以國家重大戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向開展科技攻關(guān)，做國家的事?！辈添w說道。

“我們的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?！辈添w表示，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(jì)可行性，將有可能會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)形成可持續(xù)的“生物基社會(huì)”。

人工淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍

淀粉是一種復(fù)雜有機(jī)物，它的合成也是一個(gè)復(fù)雜的過程。自然反應(yīng)中，淀粉合成與積累需涉及約60步代謝反應(yīng)和細(xì)胞間運(yùn)輸，在工業(yè)生產(chǎn)中，必須將其簡化，又必須保證所有反應(yīng)的充分和精準(zhǔn)。因此，如何將農(nóng)業(yè)中復(fù)雜的合成途徑簡化為工業(yè)生產(chǎn)所需的簡單合成途徑，是人工合成淀粉面臨的最大挑戰(zhàn)。

“我們的整體設(shè)計(jì)思路是將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來作為原料，將低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度電/氫能作為能源，形成簡單的碳?xì)浠衔?，然后再設(shè)計(jì)出從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣蛇^程?！辈添w說。6年的時(shí)間，科研團(tuán)隊(duì)一直摸索的就是從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣陕窂健?/p>

經(jīng)過計(jì)算機(jī)算法挖掘和篩選，在起點(diǎn)二氧化碳和終點(diǎn)淀粉之間，科研團(tuán)隊(duì)最終鎖定了30條可能的路徑。每一條可能的路徑都是一座迷宮，每一座迷宮中又有數(shù)個(gè)關(guān)口，也就是生化反應(yīng)，想要過關(guān)，必須尋找到相應(yīng)的“鑰匙”，即能催化反應(yīng)的特定的酶。

“自然途徑中的酶元件經(jīng)過上億年的進(jìn)化，已經(jīng)融合得非常好，就像一家人一樣。而人工途徑中的不同來源的酶元件‘打架’，這就需要我們?yōu)檫@些酶找到合適的相處方式，讓他們彼此適應(yīng)?！辈添w說道。

科研人員挖掘和改造了來自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62個(gè)生物酶催化劑，通過蛋白別構(gòu)調(diào)控改造、反應(yīng)時(shí)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(dòng)力學(xué)匹配等問題。最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個(gè)酶逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉。

經(jīng)過各種優(yōu)化，科研團(tuán)隊(duì)成功將從二氧化碳到淀粉的合成途徑簡化至11步，并實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控。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，向設(shè)計(jì)自然、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)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)。

“經(jīng)過分析鑒定，我們合成的淀粉樣品無論成分還是理化性質(zhì)，都和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣?！辈添w說道。

按照目前的技術(shù)參數(shù)，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝（1畝≈666.7平方米）土地玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量。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。

未來前景可期

“現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室，我們有了一點(diǎn)樣品，但還沒有做應(yīng)用?！瘪R延和表示。

作為一種基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的原創(chuàng)性突破，人工合成淀粉仍處在實(shí)驗(yàn)階段，產(chǎn)業(yè)化是科研團(tuán)隊(duì)未來努力的方向?！耙雽?shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決諸多的科技難題，不斷提升成果的經(jīng)濟(jì)性，才能與農(nóng)業(yè)種植競爭?！辈添w表示，在實(shí)現(xiàn)了從“0到1”的突破后，這項(xiàng)科學(xué)成果還需要盡快實(shí)現(xiàn)從“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終成為解決人類發(fā)展面臨重大問題的有效手段和工具。

據(jù)了解，經(jīng)科技部批準(zhǔn)，天津工業(yè)生物所正在牽頭建設(shè)國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心?？蒲袌F(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)，一方面是繼續(xù)攻克淀粉合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)控等底層科學(xué)難題，另一方面要推動(dòng)成果走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，未來讓人工合成淀粉的經(jīng)濟(jì)可行性接近農(nóng)業(yè)種植。