植物的光合作用，也許是地球上最重要的化學反應。它可以利用太陽的光照將二氧化碳等無機物合成有機物，讓地球充滿生機。如何不依賴植物光合作用，設計人工系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。
近日，這一科學難題被我國科學家率先突破，在實驗室實現(xiàn)了國際上首次二氧化碳到淀粉的從頭合成。該研究由中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所完成，相關工作于9月24日發(fā)表于國際學術期刊《科學》。
人工光合作用取得新突破
淀粉首次在實驗室從頭合成
淀粉不僅是糧食的最主要成分，同時也是重要的工業(yè)原料。作為一種高分子碳水化合物，它的合成與積累過程事實上相當復雜，涉及60余步代謝反應以及精妙的生理調控。
為了實現(xiàn)淀粉的人工合成，中科院研究團隊通過從頭設計反應鏈，僅用11步，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。
論文通訊作者、天津工業(yè)生物技術研究所所長馬延和介紹，團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合中國科學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分子中只含有一個碳原子的化合物（簡稱“碳一化合物”），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化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉。
合成速率高于自然植物
打開車間制造窗口
在談到這項技術未來可能的應用方向時，馬延和表示，這一成果使淀粉生產的傳統(tǒng)農業(yè)種植模式，向工業(yè)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。
“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。”馬延和介紹說，自然界植物合成淀粉的速率其實是相當慢的，這一人工系統(tǒng)的構建，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學基礎。
馬延和介紹，按照目前技術參數(shù)，在能量供給充足的情況下，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。經過進一步優(yōu)化，未來的效率還將進一步提升。
“如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農業(yè)種植相比具有經濟可行性，將有可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環(huán)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(fā)展，推動形成可持續(xù)的生物基社會。”馬延和說。
國內外專家高度評價
是一項“頂天立地”的重大原創(chuàng)成果
當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑全球格局、創(chuàng)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(yè)合成，正是應對挑戰(zhàn)的重大科技問題之一。因此，這一成果一經問世，便得到國內外領域專家的高度評價。
中國工程院院士、江南大學原校長陳堅認為，這項工作是典型的0到1的原創(chuàng)性成果，不僅對未來的農業(yè)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(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員趙國屏評價說，該工作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。
“這項研究成果將對下一代生物制造和農業(yè)發(fā)展產生巨大影響。”日本神戶大學副校長兼教授、日本理化研究所可持續(xù)資源科學中心副主任近藤昭彥表示。
中國科學院副院長周琪指出，這一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(xù)還需要盡快實現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。
“中國科學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。”周琪表示。
