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【紫荊專稿】中國科學家在國際上首次實現人工合成澱粉

日期: 2021-10-28 來源:紫荊
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最近,中國科學院天津工業生物技術研究所科研團隊首次在實驗室實現了以二氧化碳為原料,不依賴植物光合作用,直接人工合成澱粉。這不僅是中國科學界的一大步,也是人類科技史上里程碑式的顛覆性突破,對未來解決糧食危機、應對氣候變化乃至加速人類文明的整體發展進程都具有非凡意義。


北京      秦易


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圖:視覺中國


無需植物和土地,不再倚賴自然的光合作用,而是像在生產車間釀造啤酒那樣把澱粉源源不斷地製造出來——這是天方夜譚嗎?中國科學家告訴你,這是現實;以二氧化碳和電解過後的氫氣為原料,就能合成澱粉!


近日,中國科學院天津工業生物技術研究所的科研團隊在人工合成澱粉方面取得重大技術突破。在實驗室裡,他們在國際上首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。北京時間9月24日凌晨,該項研究成果在線發表於國際權威學術期刊《科學》雜誌。這一“無中生有”技術,不光是中國科學界的一大步,也是人類科技史上里程碑式的顛覆性突破,對未來解決糧食危機、應對氣候變化乃至加速人類文明的整體發展進程都具有非凡意義。

 

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9月23日,中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和研究員在發布會上向媒體介紹人工合成澱粉研究成果(圖:新華社)


“從無到有”開闢澱粉生成新路


澱粉屬於高分子碳水化合物,是由單一類型的糖單元組成的多糖,因此它的合成機制是一個複雜的過程。經過大自然上億年的造物演化,澱粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生成。光合作用,即綠色植物吸收太陽的光能,把二氧化碳和水合成富能有機物,同時釋放氧氣的過程。


但“自然造物”存在一定的局限性。農作物吸收二氧化碳後,需在適宜的溫度、光照、生長周期等多種因素的複雜調控下,經過約60步代謝反應和細胞組件間運輸,才能最終完成光合作用、實現澱粉的合成與積累。自然光合作用只能利用低能量密度的太陽能,理論上能量轉化效率不超過2%。並且農作物的種植通常需要較長周期,同時還需投入大量的土地、淡水、肥料等資源。


光合作用是地球生態圈最重要的能量循環機制之一,可以說人類的食物都是大自然光合作用的饋贈。截至目前,持續了一萬多年的農業種植,仍是生產澱粉的唯一途徑。那麼除了植物的光合作用外,還有沒有效率更高地利用二氧化碳和光能來生產澱粉的方式呢?


人工合成澱粉研究就是要“從無到有”開闢一條新的道路。經過6年的探索攻關,中科院科研團隊從近7,000個生化反應中設計創製出了一條顛覆性的澱粉製備方法——ASAP路線(Artificial Starch Anabolic Pathway)。從能量角度看,植物光合作用的本質是將太陽光能轉化為儲藏在澱粉中的化學能。中科院團隊從這一過程中汲取靈感,想到了光能—電能—化學能的能量轉變方式:首先通過光伏發電將光能轉變為電能,讓光伏電水解產生氫氣,然後通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇,把電能轉化為甲醇中儲存的化學能,再進一步通過酶的催化反應把甲醇合成為澱粉。


理想很振奮,但現實中面臨諸多挑戰。由於澱粉的天然合成路徑是經過長期自然選擇進化而成,其中的各個酶之間都能夠很好地適配協作,可人工設計的反應路徑卻未必如此。為了解決酶的適配問題,科研人員利用合成生物學的思想,挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑,最終優中選優挑選出10個酶,再以一種類似“搭積木”的方式逐步把一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮,再轉化為六碳的磷酸葡萄糖,最終聚合成直鏈和支鏈澱粉。


這是世界上人類第一次在實驗室裡實現了從二氧化碳合成澱粉的整個過程,不僅克服了化學和生物協同催化的障礙,跨越了生化反應能量傳遞的鴻溝,而且顯著提升了澱粉合成的速度與效率!與自然界合成澱粉共約60步反應相比,中國科學家創製的ASAP路線僅需要11步核心反應,明顯降低了合成的複雜度。且整個過程的能量轉化效率可達10%,遠超光合作用的能量利用率,讓高效固定二氧化碳、高效合成澱粉成為現實。


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圖:視覺中國


打開人類發展困局的“金鑰匙”


從三餐果腹的米麵糧食,到隨處可見的紙張、棉紡、洗護化妝品、藥品膠囊殼,處處皆是澱粉的身影。從幾千年前農耕文明發祥,到近百年間工業文明的革新,澱粉不僅為滿足人類生存提供了全球80%以上的熱量,而且已經成為重要的工業原料,可製成約3萬多種產品。


從古至今,澱粉之於人類的生存與文明的進步舉足輕重。但正如前文所述,澱粉的生成主要倚賴植物光合作用,投入多、產量低,人們只能依靠春耕夏耘、秋收冬藏。其弊端就是很可能出現糧食生產不均、供不應求的局面。由多家聯合國機構聯合撰寫的《2021年世界糧食安全和營養狀況》報告估計,2020年全世界有7.2-8.11億人口面臨饑餓,有近23.7億人無法獲得充足的食物。全球糧食安全引發關注,危機不容小覷。


此外,淡水、耕地資源本就有限,加之過度使用化肥導致的土地和水源污染,以及工業化背景下大量排放的二氧化碳等溫室氣體,又在進一步加劇地球的負荷,造成更深層次的資源短缺、環境污染、氣候變化,令解決糧食問題難上加難。


從遺傳雜交育種到分子設計育種,世界各國一直在努力推進農業生物技術從而提高糧食產量。那麼有沒有可能換一種思路?好比與其苦思怎樣提升一輛車的性能,不如乾脆再造一款新車?在國際相關科學領域,這個想法由來已久。如果澱粉能夠實現人工合成,不僅效率高,對環境污染少,對能源需求較少,而且還可以大量吸收二氧化碳、減少溫室氣體的排放,是打開當前和未來人類發展困局“一舉多得”的“金鑰匙”。


在此背景下,糧食澱粉可持續供給、二氧化碳轉化利用順勢成為當今世界科技創新的戰略方向。擺脫植物進行二氧化碳固定,設計人工生物系統不依賴植物種植進行澱粉製造,是世界各國科學家多年來的夢想,也是國際上研究的熱點和難點。


2015年,美國加州大學伯克利分校楊培東團隊構建出了一套“人工光合作用”系統,通過納米線和細菌組成的系統,模擬自然界的光合作用,把二氧化碳和水轉變成碳水化合物。2016年,德國馬普研究所報道了第七條人工設計的固碳途徑,二氧化碳轉化速率是自然卡爾文固碳循環的兩倍。2018年,美國國家航空航天局(NASA)更是提出了二氧化碳製造葡萄糖的百年挑戰計劃。2020年,以色列和澳大利亞科學家通過人工定向進化首次實現異養大腸桿菌和酵母固定二氧化碳進行自養生長(異養是只利用有機化合物生成,自養是直接用固定二氧化碳生長)。縱覽全球,人工合成澱粉的國際科技競爭可謂白熱化。但是在中國ASAP路線提出之前,二氧化碳到澱粉的從頭人工合成還從未有過突破。


2015年,在中國科學院重點部署項目和天津市財政專項的支持下,中科院天津工業生物技術研究所組建起了一支當時平均年齡30周歲的優秀青年科學家團隊,正式向人工合成澱粉與二氧化碳生物轉化利用這一事關國家長遠和全局的科技戰略制高點發起“進攻”。


2018年7月24日,人工合成澱粉在中科院天津工業生物技術研究所的實驗室裡誕生了!從外觀上看,它跟從玉米、薯類等農作物中提純出來的澱粉無異,白色的粉末狀物質溶解後遇碘會變藍。經過核磁共振檢測,人工合成澱粉與自然界中澱粉的分子結構組成對比結果一致。這意味著,無論是分子成分還是理化性質,人工合成澱粉與自然生產的澱粉是一模一樣的。


這是人類從認識自然,向學習自然、超越自然邁進的一大步!

 

距產業化應用還有相當長距離


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8月30日,中科院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成澱粉樣品(圖:中新社)


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9月16日,在中科院天津工業生物技術研究所實驗室,孫紅兵科研助理在整理實驗日記(圖:新華社)


僅把澱粉合成出來並不是科學家探究的終點!此後的兩年多時間內,中科院團隊持續優化實驗成果,最終將澱粉的合成效率比最初提高了100多倍。按照目前技術參數推算,這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。在充足能量供給的條件下,理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於我國5畝玉米地的年產澱粉量。


對此,《科學》雜誌新聞部執行主任梅根·菲蘭認為,該研究成果將為未來通過工業生物製造生產澱粉這種全球性重要物質提供新的技術路線。美國工程院院士延斯,尼爾森表示,這項研究的整合和應用將有助於解決人類未來面臨的重大挑戰。中科院院士趙國屏讚歎,這是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果。中國工程院院士陳堅認為,這項工作是典型的“0到1”的原創性成果,不僅對未來的農業生產,特別是糧食生產具有革命性的影響,而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義。


人工合成澱粉研究的初衷,是希望推動傳統農業模式下非常慢的、大面積種植的澱粉生產方式向高效化、集中化的工業車間生產模式轉變。如今實驗已經成功,離工業化生產還有多遠呢?


任何一項基礎研究走到實際應用的道路都是漫長的。就人工合成澱粉的產業化挑戰而言,一方面,在工程生物學基礎理論和工程設計方面仍有許多問題有待攻克,比如要做好各種酶的分離純化、要讓酶在細胞外保持活性、要應對每一步合成過程後酶的活力下降等等;另一方面,從控制過程成本初步計算,只有澱粉合成的電能利用效率再提高數倍,澱粉合成的碳素轉化速率再提高數十倍,才能與農業種植的成本競爭。


中科院副院長、黨組成員,中科院院士周琪指出,人工合成澱粉的成果尚處於實驗室階段,離實際應用還有相當長的距離,後續還需要儘快實現從“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展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。


經科技部批准,目前中科院天津工業生物技術研究所正在牽頭建設國家合成生物技術創新中心。除了繼續攻克澱粉合成人工生物系統的設計、調控等底層科學難題之外,他們還要推動成果走向產業應用,讓人工合成澱粉的經濟可行性接近農業種植,預計未來5到10年可建立起工業化示範裝置。屆時,以工業尾氣為原料,利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣,就能夠在化學反應器中進行二氧化碳高效還原,在生物反應裝置中合成澱粉。


人工合成澱粉儘管距離實際應用還需時日,但其之於世界發展的潛力遠景卻令人飽含期待和想像。


解決溫飽問題未來不用再“靠天吃飯”。糧食生產可以擺脫耕地和自然環境資源的限制,只要能建造澱粉生產工廠,高山峽谷、沙漠冰原這些沒有種植作物條件的地方都可以用來產糧。


溫室氣體逐漸減少,生態環境逐步改善。從源頭來看,澱粉生產工業化後,化肥農藥的生產減少,對土地水源的污染減少,生產化肥形成的碳排放量也隨之減少。從末端看,二氧化碳被工廠大口大口吸入生產澱粉,且土地退耕還林後又可進一步降低大氣中二氧化碳的濃度。


澱粉食品口感更豐富,營養又健康。傳統澱粉多為大分子支鏈澱粉,而經人工合成的澱粉避免使用農藥,而且結構可控,比如所合成的直鏈澱粉具有機體消耗慢的特點,可幫助維持血糖平穩,合成的小分子澱粉則具有較好的起泡特性。


總而言之,根據科學團隊估算,如果未來該人工合成澱粉系統的成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性,將會節約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,促進碳中和,提高人類糧食安全水平,推動形成經濟社會可持續的高質量發展。


(作者係中科院研究員)

本文發表於《紫荊》雜誌2021年11月號


編輯:趙   欣

監製:連振海


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