国际首次！我国科学家在实验室实现二氧化碳到淀粉的人工合成
新华网北京9月24日电（记者 王莹）记者从中国科学院获悉，近期，中科院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。成果于9月24日在国际学术期刊《科学》上发表。
淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。记者了解到，目前，人类使用的淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。由于淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。
“农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产淀粉需要较长的生产周期和较大种植面积，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。如果能设计人工生物系统，不依赖植物从二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。”天津工业生物技术研究所所长马延和告诉记者。
这一设想也成为天津工业生物技术研究所瞄准的前沿方向。2015年，研究所以项目制模式布局二氧化碳到淀粉人工合成的攻关任务。几年时间里，研究团队从头设计了一条只需11步主反应的非自然二氧化碳固定与淀粉合成新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
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（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄
研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中科院大连化学物理研究所，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）。
记者了解到，这一人工途径的淀粉合成速率是自然界中玉米淀粉合成速率的8.5倍。研究所副研究员、论文第一作者蔡韬表示，这一人工途径突破了传统植物低密度光能固碳转化的局限，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
据蔡韬介绍，在计算设计的人工途径中，获得碳一到碳三化合物直接聚合的生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。为此，研究团队从头设计构建了非自然碳碳缩合酶，实现了C1到C3化合物的直接聚合。
进一步，研究团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建了一条只有11步主反应的人工合成淀粉途径，实现了从二氧化碳到淀粉的从头合成，将天然淀粉的羧化-还原-重排-聚合的复杂合成过程简化为人工淀粉的还原-聚合的合成过程，显著降低了合成的复杂度。
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（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄
由于缺少自然途径长期的进化过程，研究中面临的另一难题是不同物种的生物酶催化剂难以适配。针对这个问题，研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略，通过别构调控优化、顺序分步反应创建，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配设计等问题，获得淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径，实现直链淀粉和支链淀粉的可控合成。
“按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地的玉米淀粉年平均产量，为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。如果未来该系统过程的成本能够降低到具有经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的影响。”蔡韬告诉记者。
这一成果得到国内外领域专家的高度评价，认为该工作是“典型的0到1的原创性突破”，不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有重要影响，也对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。#p#分页标题#e#
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