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中国科学家突破人工合成淀粉技术(人工合成淀粉能取代粮食的吗)

淀粉是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分,仍是重要的工业原料。但是现在,人类主要通过农业种植来生产这样的繁琐的多碳化合物。

中国科学家突破人工合成淀粉技术(人工合成淀粉能取代粮食的吗)

若是现在叮嘱你,咱们用一种气体就应该直接合成淀粉,你会不会认为像魔法?而这,正是科学家在做的事情。

近期,我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,世界上第一次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,有关工作于北京时间2021年9月24日发表于世界顶尖杂志《科学》。(论文链接:DOI:10.1126/science.abh4049)

中国科学家突破人工合成淀粉技术(人工合成淀粉能取代粮食的吗)

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,我们国家长期以来积极推进农业生物技术提高,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,咱们长期以来在追赶着世界科技前沿。

有没有或许“换道超车”?原来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,仍是对缓和农业压力的强大贡献。

合成生物学被认为是波及未来的颠覆性技术。模拟自然作物光同盟用,从头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。确实这条路线存在许多的不确定性,科学问题繁琐,技术路线不清、瓶颈问题难测,不过,科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区。

习总书记也需求咱们,敢于走前人没走过的路,勤奋实现关键核心技术自主可控,把创新主动权、进步主动权牢牢掌握在自己手中。咱们科技工作者要有强烈的国家使命感,面向国家重大战略要求,在科技工作中做出重大创新贡献是咱们的责任担当。“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,使用科学,咱们解决了两个问题

从二氧化碳到淀粉,也便是从C1(碳一化合物)到Cn(多碳化合物)的过程,并不简单。

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

人工合成淀粉的路,如何走得又快又好?

最初,咱们设计了一条从C1(一碳化合物)到Cn(多碳化合物)的新路径。

对于植物只能使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个方法)、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繁琐化合物的优势,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),在实验室中第一次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。

中国科学家突破人工合成淀粉技术(人工合成淀粉能取代粮食的吗)

受天然光同盟用的启发,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简单溶于水的一碳化合物(也便是C1),结束了光能——电能——化学能的转化,该过程的能量转化效率超过10%,远超光同盟用的能量使用效率(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,咱们用“搭积木”的思维解决了适配性问题。

人工合成淀粉的最重要挑战在于,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。

为探询决酶的适配问题,基于每一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。每一个模块的原料和产物都是确定的,不过应该有多种反应过程,科研人员要做的,便是到四个模块最佳的组合方法。

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科研人员在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后,对各模块进行持续地测试、组装与修改,最后成功创建了ASAP 1.0,实现了人工淀粉的实验室合成,该途径包含了来自己主动物、植物、微生物等31不一样物种的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中的三个关键限速方法进行了改造,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,构建出包含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、当中产物毒性等问题,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。

应该说,该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要团队细胞间转运的繁琐过程简化为还原-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。

了解自然,学习自然,超越自然

按照现在的技术参数推算,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变成或许。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,并且应该消除化肥和农药对环境的负面波及,这对提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济进步具备极度重大的意义。

中国科学家突破人工合成淀粉技术(人工合成淀粉能取代粮食的吗)

应该想象,到时咱们所需的淀粉,应该使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、突出是粮食生产具备革命性的波及,并且对世界生物制造产业的进步具备里程碑式的意义,是一项具备“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了解自然,到学习自然,再到超越自然的过程。通过学习、研究自然光同盟用,操作自然界存在的来源于不一样动物、植物、微生物的酶进行理性组合设计,并且耦合化学催化、生物催化的分别优点,创建的一个新型人工淀粉合成途径。

中国科学家突破人工合成淀粉技术(人工合成淀粉能取代粮食的吗)

但是,即便现在设计、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,但是要真正实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉,仍旧任重而道远。相信在科研人员的不懈勤奋下,未来的“淀粉生产工厂”并不遥远。

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