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原创性突破!中科院科学家首次在实验室实现人工合成淀粉
原创
09.24
科学大院

淀粉是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分,也是重要的工业原料。不过目前,人类主要通过农业种植来生产这种复杂的多碳化合物。

图片来源:veer图库

如果现在告诉你,我们用一种气体就可以直接合成淀粉,你会不会觉得像魔法?而这,正是科学家在做的事情。

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性进展,国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,相关工作于北京时间2021年9月24日发表于国际顶尖杂志《科学》。(论文链接:DOI:10.1126/science.abh4049)

图片来源:中国科学院科技摄影联盟供图

为什么要尝试人工合成淀粉?

粮食安全是国家安全的重要基础,我国一直积极推进农业生物技术进步,从遗传杂交育种到分子设计育种,从转基因新品种培育到基因编辑技术育种,我们一直在追赶着国际科技前沿。

有没有可能“换道超车”?其实人工合成淀粉的想法由来已久,即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料,也是对缓解农业压力的巨大贡献。

合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用,重新设计生命合成代谢过程,设计人工生物系统,不依赖植物种植进行淀粉制造,潜藏着惊人的变革前景。的确这条路线存在很多的不确定性,科学问题复杂,技术路线不清、瓶颈问题难测,但是,科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区。

习总书记也要求我们,敢于走前人没走过的路,努力实现关键核心技术自主可控,把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。我们科技工作者要有强烈的国家使命感,面向国家重大战略需求,在科技工作中做出重大创新贡献是我们的责任担当。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点。

学习植物,利用科学,我们解决了两个问题

从二氧化碳到淀粉,也就是从C1(碳一化合物)到Cn(多碳化合物)的过程,并不容易。

自然界中,玉米等农作物中淀粉的合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,但是理论能量转化效率仅为2%左右。

人工合成淀粉的路,怎么走得又快又好?

首先,我们设计了一条从C1(一碳化合物)到Cn(多碳化合物)的新路径。

针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳(0.04%)、低能量密度的太阳能(10 w/m2)、生长周期长(3-4个月)、天然淀粉合成途径长(大约60个步骤)、催化效率低(需要关键酶RuBisco)等关键问题,科研人员耦合化学催化与生物催化技术,充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势,从头设计和构建了从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP),在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。

图片来源:作者提供

受天然光合作用的启发,科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上,进一步开发了高效的化学催化剂,把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物(也就是C1),完成了光能——电能——化学能的转化,该过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率(2%),也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础。

第二,我们用“搭积木”的思维解决了适配性问题。

人工合成淀粉的最大挑战在于,天然淀粉合成途径是通过数亿年的自然选择进化而成,各个酶都能够很好地适配协作,而人工设计的反应途径却未必如此完美。

为了解决酶的适配问题,基于每个模块终产物的碳原子数量,科研人员采用“模块化”——“搭积木”的思路,将整条途径拆分为四个模块,分别命名为C1(一碳化合物),C3(三碳化合物),C6(六碳化合物)和Cn(多碳化合物)模块。每个模块的原料和产物都是确定的,但是可以有多种反应过程,科研人员要做的,就是到四个模块最佳的组合方式。

图片来源:作者提供

科研人员在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后,对各模块进行不断地测试、组装与调整,最终成功创建了ASAP 1.0,实现了人工淀粉的实验室合成,该途径包含了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂。

在此基础上,科研人员采用蛋白质工程改造手段,对ASAP 1.0中的三个关键限速步骤进行了改造,解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题,得到ASAP 2.0,在该途径中,生物酶催化剂的用量减少了近一倍(44%),淀粉的产率提高了13倍。

进一步地,与二氧化碳通过化学法还原生成甲醇的反应偶联,构建出包括一个化学反应单元和一个多酶反应单元的ASAP 3.0,通过反应时空分离优化,解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题,建立了生化级联反应系统,淀粉的产率又提高了10倍,并可实现直链淀粉与支链淀粉的可控合成。

可以说,该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要组织细胞间转运的复杂过程简化为还原-转化-聚合反应过程。ASAP从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

认识自然,学习自然,超越自然

按照目前的技术参数推算,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亩土地玉米种植的淀粉年平均产量,这一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。工业车间制造淀粉一旦成功,与农业种植相比,将有就会节省超过90%的土地和淡水资源,而且可以消除化肥和农药对环境的负面影响,这对提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展具有十分重大的意义。

图片来源:作者提供

可以想象,到时我们所需的淀粉,可以利用空气中的二氧化碳作为原料,通过类似生产啤酒发酵一样的过程,在生产车间中制造出来,这将对未来的农业生产、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,是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果,是典型的“0”到“1”的原创性突破。

该研究是科研人员从认识自然,到学习自然,再到超越自然的过程。通过学习、研究自然光合作用,使用自然界存在的来源于不同动物、植物、微生物的酶进行理性组合设计,并且耦合化学催化、生物催化的各自优点,创建的一个新型人工淀粉合成途径。

图片来源:作者提供

不过,虽然目前设计、创建超越自然的人工生物系统生产淀粉取得了突破性进展,但要真正实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉,依然任重而道远。相信在科研人员的不懈努力下,未来的“淀粉生产工厂”并不遥远。

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作者:孙红兵,蔡韬,王钦宏

作者单位:中国科学院天津工业生物技术研究所

文章来源于科学大院公众号(ID:kexuedayuan)

评论
传承解惑
学士级
粮食安全是国家安全的重要基础,我国一直积极推进农业生物技术进步。
09.25
无限探索者
学士级
这不仅对未来的农业生产、粮食生产具有革命性的影响,也将在下一代生物制造和农业生产中带来变革。
09.25
冲冲
少傅级
淀粉是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分,也是重要的工业原料!
09.25