二氧化碳合成淀粉(二氧化碳合成淀粉原理)

來源：新華視點

以二氧化碳為原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成淀粉——中國科學院天津工業生物技術研究所一支科研團隊在實驗室里首次實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關成果北京時間24日由國際知名學術期刊《科學》在線發表。

這個突破的“含金量”如何？未來有望通過工廠大規模“制造”糧食嗎？記者跟進采訪解讀。

“向前推進一大步”的突破

淀粉是糧食最主要的成分，也是一種重要的工業原料。人工合成淀粉是科技領域一個重大課題，吸引了多國科學家深入探索，但一直未取得實質性重要突破。

論文通訊作者、中科院天津工業生物所所長馬延和介紹，此次研究中，科研人員用一種類似“搭積木”的方式，從頭設計、構建了11步反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑。核磁共振等檢測發現，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結構組成一致。

相比而言，自然界的淀粉合成依賴植物光合作用，涉及約60步代謝反應以及復雜的生理調控。

論文第一作者、天津工業生物所副研究員蔡韜介紹，實驗室初步測試顯示，人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前的技術參數推算，理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于我國5畝玉米地的年產淀粉量。

這一突破得到該領域一批國際知名專家的高度評價。德國科學院院士曼弗雷德·雷茲表示，將二氧化碳固定并轉化為有用的有機化學品是一項重大的國際挑戰，本項工作將該領域研究向前推進了一大步。美國工程院院士延斯·尼爾森表示，這是利用合成生物學解決當今社會面臨的若干重大挑戰的驚人案例，將為日后更多相關研究鋪平道路。

中國工程院院士陳堅表示，這個工作是典型的“0到1”的原創性成果。神戶大學副校長近藤昭彥表示，這項研究成果將對下一代生物制造和農業發展帶來變革性影響。

為“細胞工廠”打開一扇窗

從分子生物學到合成生物學，科技進步已經讓酶的定向改造日益成熟，并廣泛應用于食品生產、疫苗開發、農業病蟲害防治等領域。理論上，大多數食品和石油化學品都可以借助合成生物學技術制得。

不依賴傳統農業種植，人工“制造”糧食——瞄準“農業工業化”這一遠景，多國科學家各顯身手，展開攻關。

“為未來的‘細胞工廠’打開了一扇窗。”對于此次研究的應用前景，蔡韜打了一個比方：人工合成淀粉的新反應途徑相當于汽車發動機，酵母細胞相當于汽車底盤，下一步要把發動機放到底盤上安裝好，對酵母細胞進行系統設計與改造，搭建一個淀粉合成的“細胞工廠”進行規模化生產。

不過，“細胞工廠”生產糧食的希望實現之前，科學家還需先攻克多重難關。

“我們目前對很多生命過程的理解還不到位。”馬延和說，未來搭建“細胞工廠”面臨著人工生命設計、合成、調控等諸多基礎科學挑戰，需要化學、物理、工程等學科與生物學的長期交叉研究。

此外，要讓人工合成淀粉與農業種植相比具有經濟可行性，也需要一個艱難、持續的科技攻關過程。

中科院副院長周琪表示，這一成果目前尚處于實驗室階段，離實際應用還有很長的距離，后續需盡快實現從“0到1”概念突破到“1到10”的轉換。

針對重大需求開展基礎研究

“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中，合成生物被專門列入科技前沿領域攻關的范疇。

據了解，經科技部批準，天津工業生物所正在牽頭建設國家合成生物技術創新中心。科研團隊的下一步目標，一方面是繼續攻克淀粉合成人工生物系統的設計、調控等底層科學難題，另一方面要推動成果走向產業應用，未來讓人工合成淀粉的經濟可行性接近農業種植。

“這是針對重大應用目標實現中的瓶頸科技問題開展基礎研究。”中國科學院院士趙國屏評價。

在科學家眼里，人工合成淀粉未來如果進入實際應用，不僅能節約耕地和淡水資源、進一步保障糧食安全，還將帶來諸多想象空間。

中國科學院院士康樂認為，人工合成淀粉過程中“抓”住的二氧化碳，若能遠多于排放的二氧化碳，就可以進一步挖掘潛力，為碳達峰碳中和做出更大貢獻。

中國工程院院士岳國君舉例說，人工合成淀粉的中間產品，比如葡萄糖，可發酵生產醇、酸、酮等平臺化合物，廣泛用于生產塑料、纖維和橡膠。

“在社會重大需求中提煉科學問題，在回答科學問題中取得重要突破，這就是我們要做的基礎研究。”周琪說。

記者：董瑞豐、毛振華、王井懷