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從二氧化碳到淀粉人工合成研究取得原創性突破

2021-09-24 天津工業生物技術研究所
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[video:20210924【朝聞天下】中國科學院 我國淀粉人工合成取得重大突破]
[video:20210924【朝聞天下】我國淀粉人工合成取得重大突破·專家解讀 人工合成淀粉:工業化之路面臨眾多挑戰]
[video:20210924【朝聞天下】我國淀粉人工合成取得重大突破·新聞鏈接 三大核心突破 實現人工合成淀粉]

  近期,中國科學院天津工業生物技術研究所在淀粉人工合成方面取得突破性進展,在國際上首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關成果于924日在線發表在國際學術期刊《科學》上。 

  923日,中科院就此召開新聞發布會,對成果及其進展進行解讀。會上,中科院副院長、黨組成員周琪表示,當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等一系列重大挑戰,科技創新已成為重塑全球格局、創造人類美好未來的關鍵因素。二氧化碳的轉化利用與糧食淀粉工業合成,正是應對挑戰的重大科技問題之一。該成果目前尚處于實驗室階段,離實際應用還有相當長的距離,后續還需要盡快實現從“01”的概念突破到“110”和“10100”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。中科院將集成相關科技力量,一如既往地支持該項研究深入推進。 

  目前,淀粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產,合成與積累涉及約60步代謝反應以及復雜的生理調控,理論能量轉化效率僅為2%左右。農作物種植通常需較長周期,并使用大量土地、淡水等資源和肥料、農藥等農業生產資料。 

  在該研究中,天津工生所從頭設計出11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑,在實驗室中首次實現從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團隊采用一種類似“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,然后通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,最后通過生物途徑優化,將碳三化合物聚合成碳六(C6)化合物,再進一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。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,向設計自然、超越自然目標的實現邁進一大步,為創建新功能的生物系統提供了新科學基礎。 

  該研究通過耦合化學催化與生物催化模塊體系,創新了高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過程技術,通過反應時空分離優化,解決了人工途徑中底物競爭、產物抑制、熱/動力學匹配等問題,擴展了人工光合作用的能力。按照目前技術參數推算,在能量供給充足條件下,理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉年平均產量(按我國玉米淀粉平均畝產量計算)。 

  相關成果使淀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,并為二氧化碳原料合成復雜分子提供了新技術路線。如果未來該系統過程成本能夠降低至與農業種植相比具有經濟可行性,將可能節約90%以上的耕地和淡水資源,同時減少農藥、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。 

  成果得到國內外相關領域專家的高度評價,認為是“典型01原創性突破”,是“擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破,是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”,其“不僅對未來的農業生產、特別是糧食生產具有革命性的影響,而且對全球生物制造產業的發展具有里程碑式的意義”,“將在下一代生物制造和農業生產中帶來變革性影響”。

  該研究獲得中科院重點部署項目、天津市合成生物技術創新能力提升行動等資助和支持,是國家合成生物技術創新中心的重點研究方向。 

  天津工生所自2015年起,聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉化利用,開展需求導向的科技攻關,集聚所內外創新資源,加強學科-任務-平臺整合,實現各方科研力量的有機融合和高效協同。研究所根據項目研究需求進行人才布局,組建了當初平均年齡30周歲的優秀青年科學家團隊,充分發揮各成員學科優勢與技術特色,實行“項目制”管理機制,集中力量攻克難題。在這種開放、集成的新型科研組織模式下,團隊成員為做一件事、一個目標、一個任務,深耕6個春秋。 

  論文鏈接 

利用人工途徑從二氧化碳合成淀粉 

新聞發布會現場 

打印 責任編輯:侯茜

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