原创性突破!Science:我国实现从二氧化碳到淀粉人工合成研究原创性突破

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在淀粉人工合成方面取得突破性进展,在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。相关成果于9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。

9月23日,中科院就此召开新闻发布会,对成果及其进展进行解读。会上,中科院副院长、党组成员周琪表示,当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成,正是应对挑战的重大科技问题之一。该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。中科院将集成相关科技力量,一如既往地支持该项研究深入推进。

目前,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,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。农作物种植通常需较长周期,并使用大量土地、淡水等资源和肥料、农药等农业生产资料。

在该研究中,天津工生所从头设计出11步主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。研究团队采用一种类似“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)。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步,为创建新功能的生物系统提供了新科学基础。

该研究通过耦合化学催化与生物催化模块体系,创新了高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术,通过反应时空分离优化,解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题,扩展了人工光合作用的能力。按照目前技术参数推算,在能量供给充足条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算)。

相关成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新技术路线。如果未来该系统过程成本能够降低至与农业种植相比具有经济可行性,将可能节约90%以上的耕地和淡水资源,同时减少农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续的生物基社会。

成果得到国内外相关领域专家的高度评价,认为是“典型的0到1原创性突破”,是“扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破,是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”,其“不仅对未来的农业生产、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”,“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。

该研究工作获得了中国科学院重点部署项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目前瞻性的资助和支持,是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向。

通讯作者:马延和,男,汉族,1961年10月生,河北盐山人,农工党成员,1983年8月参加工作,在职研究生学历,工学博士,研究员。现任天津市第十七届人大常委会副主任,农工党中央常委、天津市委会主委、滨海新区区委会主委,中国科学院天津工业生物技术研究所所长。

1983年8月南开大学生物系微生物学专业大学毕业后,到中国科学院微生物研究所从事科研工作,历任微生物研究所生物技术中心副主任、所长助理、极端环境微生物中心主任、微生物资源前期开发国家重点实验室副主任。2007年3月起,先后任中国科学院天津工业生物技术研究与发展中心筹建工作组组长、中国科学院天津工业生物技术研究所筹建工作组副组长、工业酶国家工程实验室主任。2012年10月起,先后任中国科学院天津工业生物技术研究所所长,天津市滨海新区政协副主席(兼),农工党滨海新区区委会主委,农工党天津市委会副主委,农工党中央常委。2021年1月当选农工党天津市委会主委、天津市第十七届人大常委会副主任。

第一作者:蔡韬,副研究员。2009年在南京农业大学获得博士学位,后赴美国宾夕法尼亚大学医学院学习,2012年到中国科学院天津工业生物技术研究所工作。

文字内容来源于天津工业生物研究所。图片及英文摘要来源于Science官网。作者简介来源于天津人大官网、天津工业生物研究所。点击文末阅读原文即可查看英文原文。

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