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實驗室里“種”淀粉

2021-09-24 17:00:04    人民日報

淀粉是人類糧食的最主要成分。日前,中國科學院天津工業生物技術研究所科研人員在淀粉人工合成方面取得重大突破性進展,利用二氧化碳和電解產生的氫氣合成淀粉。這意味著,不需要種植農作物,直接在生產車間中制造淀粉成為可能。

糧食不需要土地種植,可以在生產車間中制造出來。如今,這個看似天方夜譚的想象正在成為可能。

日前,中國科學院天津工業生物技術研究所(以下簡稱“天津工業生物所”)在淀粉人工合成方面取得重大突破性進展,在國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該成果于北京時間9月24日在線發表在國際學術期刊《科學》。

“這也意味著,我們所需要的淀粉,今后可以將二氧化碳作為原料,通過類似釀造啤酒的過程,在生產車間中制造出來。”天津工業生物所所長馬延和說。

將二氧化碳還原生成甲醇,再轉化為淀粉

淀粉是人類糧食的最主要成分,同時也是重要的工業原料。目前淀粉主要由農作物通過光合作用,將太陽光能、二氧化碳和水轉化而成。

長期以來,科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最終提升淀粉的生產效率。

這次,天津工業生物所的科研人員就成功創制了一條利用二氧化碳和電解產生的氫氣合成淀粉的人工路線。這條路線涉及11步核心生化反應,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

從能量角度看,光合作用的本質是將太陽光能轉化為淀粉中儲存的化學能。因此,將光能高效地轉變為化學能并儲存下來成為關鍵。

“我們想到了光能—電能—化學能的能量轉變方式。”天津工業生物所副所長王欽宏說:“首先,光伏發電將光能轉變為電能,通過光伏電水解產生氫氣;然后,通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇,將電能轉化為甲醇中儲存的化學能。這個過程的能量轉化效率超過10%,遠超光合作用的能量利用效率。”

自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。王欽宏說:“要想人工實現這個過程,關鍵是要制造出自然界中原本不存在的酶催化劑。”

科研人員挖掘和改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑,最終優中選優,使用10個酶逐步將甲醇轉化為淀粉。這種路徑不僅能合成易消化的支鏈淀粉,還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉。

“也許在不久的將來,不需要種地,也能夠滿足我們對碳水化合物的需要。”王欽宏說。

在人工合成途徑構建上實現跨越式突破

不依賴植物光合作用、人工合成碳水化合物,一直是世界各國科學家的夢想。此前,華人科學家楊培東曾帶領團隊利用聚糖反應成功將二氧化碳轉化為多種單糖混合物。

“但是,他們還尚未實現復雜碳水化合物的人工定向合成。”天津工業生物所副研究員蔡韜說:“也就是說,他們的路線方法合成的是多種簡單糖類化合物的混合物,還很難定向到其中的一種。”

專家介紹,淀粉高效人工合成的挑戰主要來自低密度太陽能到高密度電能和氫能,低濃度二氧化碳到高濃度二氧化碳,以及復雜合成途徑到簡單合成途徑3個方面。此前,在眾多科研人員的努力下,前兩個問題已基本得到了解決。

“這次,我們主要在人工合成途徑構建方面實現了跨越式突破。”馬延和說。

他介紹,一是跨越了人工途徑進化的鴻溝??朔瞬煌瑏碓?、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學與動力學不匹配等瓶頸,二氧化碳到淀粉的碳轉化速率和效率顯著提升;二是跨越了從虛擬到現實的鴻溝。團隊用計算機可以設計出很多條合成途徑,通過各種模塊的組裝和適配,最終篩選出了符合條件的路徑,實現了人工淀粉合成。

“經過分析鑒定,我們合成的淀粉樣品無論成分還是理化性質,都和自然生產的淀粉一模一樣。”蔡韜說。

據科研團隊介紹,在充足能量供給的條件下,按照目前的技術參數推算,理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產量。

馬延和說:“這一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開辟了新的技術路線。”

創新科研組織模式,讓不同專長的團隊協同攻關

專家預計,如果未來該系統過程成本能夠降低到可與農業種植相比的經濟可行性,將可能會節約90%以上的耕地和淡水資源,避免農藥、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。

重大原創性突破的背后,除了科研團隊多年的努力和堅持之外,科研組織模式的創新功不可沒。

天津工業生物所自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。

傳統科研模式一般以課題組為單元進行,優勢是能夠集中在一個領域方向,但不是所有的研究項目都適合這樣的模式。

馬延和說:“比如,我們這個項目是一個多領域多方向交叉的工作,這就需要將具備不同專長的人和團隊組織起來,協同合作才能夠完成,傳統科研模式顯然不太適合。”

根據項目特點,研究所創立了新的科研組織模式,即三維管理模式。

“三維管理模式,具體來說就是所里統一撥付經費,設立總體研究部、研究組和平臺實驗室。”蔡韜說:“總體研究部負責項目矩陣管理;研究組是根據領域方向和學科布局設置的特色學科組,實現專業分工;平臺實驗室則負責為項目提供裝備方法支撐。”

“在這種新模式下,要實現哪一步目標、需要哪些人來做哪些任務,我們在整個項目層面都會事先進行具體分析。”蔡韜說,“比如,途徑設計就是由所里生物設計中心科技組來負責,總體研究部通過任務分解,將相關研究任務定向委托給他們。簡單來說,這個模式更容易實現專業的人做專業的事,全預算的方式也能夠保證團隊一直穩定地做這一件事。”

項目實施過程中,也會對承擔分任務的科研團隊進行嚴格考核。通不過考核的團隊,則由新的團隊替換來重新完成任務。

“整個項目過程中,共有十多個小團隊參與。”蔡韜說,“不同團隊聚在一起,為一件事、一個目標、一個任務共同努力,協同攻關,最終實現了原創性重大突破。”(記者 吳月輝)

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