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厉害了我的国!西北风真能喝饱了,中国首次实现二氧化碳人工合成淀粉
2021-09-27

你有没有想过未来某一天,不需要土壤,不需要施肥,也不需要种子,只需要以太阳光、水和二氧化碳为原料,就能生产淀粉,为人类提供源源不断的生存养料,没有污染、没有贫困和饥饿?

这种荒诞大胆的设定,恐怕只有科幻小说才敢这么书写。然而这个看似可笑的想法,中国科学家历时6年多科研攻关,已经给出肯定和详细的答案,真切的发生的实验室里,在不久的将来,有望实现。

厉害了我的国!西北风真能喝饱了,中国首次实现二氧化碳人工合成淀粉

中科院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品。 

中科院科技摄影联盟 供图

从0到1的突破

北京时间9月24日,由中国科学院天津工业生物技术研究所主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文,在著名国际学术期刊《科学》上线发表。这是继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后,中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

厉害了我的国!西北风真能喝饱了,中国首次实现二氧化碳人工合成淀粉

在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室,科研人员展示人工合成淀粉样品(9月16日摄)。

图片来源:新华社记者 金立旺摄

该研究所人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法,不依赖植物光合作用,以二氧化碳、电解产生的氢气为原料,直接合成淀粉。使淀粉生产从传统农业种植模式像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。

人工合成淀粉的重大意义

淀粉是粮食种类中最主要的成分,比如面粉、大米、玉米等,是养活全球人口最重要的食物原料,同时也是重要的工业原料。通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。

自然界的淀粉合成与积累,涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

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科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理(从左至右)在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影(9月16日摄)。图片来源:新华社记者 金立旺 摄

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,向实现设计自然、超越自然的目标迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

业内专家称,如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,推动形成可持续的生物基社会,提高人类粮食安全水平。同时,最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP),为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。

人工合成淀粉应用前景

该成果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。

“如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝,大概会像意大利面那样劲道。”马延和表示,自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起,目前实验室里合成的主要是直链淀粉,合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。

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自动化淀粉加工设备生产出的淀粉

论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬兴奋地说:“我们拿合成淀粉与自然界中的淀粉比较,得到核磁结果是一模一样的,可以说,合成淀粉实际上与自然的淀粉是没有区别的。”蔡韬说,实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态,“是比较稀的淀粉糊糊,干燥后会变成粉状”。

这意味着什么?数据显示,2019年,全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全,占世界总人口近十分之一。“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。”马延和表示。

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不过,这一成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有距离。后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

据了解,经科技部批准,天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标,一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题,另一方面要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

   

文章及资料来源:新华社、中国科学报、中国新闻网、经济日报、海外网

 

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