科技
人工合成淀粉,，技術造物新突破
2024/08/06 09:26 來源：人民網(wǎng) 閱讀：1.3萬
當今世界面臨氣候變化,、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn),，如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì),？人工合成淀粉項目便是其中一個嘗試,。中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所于2018年實現(xiàn)項目突破，之后不斷進行技術迭代升級,。如今,，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成,。
魂牽夢繞的藍色,，出現(xiàn)了！
天津空港經(jīng)濟區(qū),，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所（以下簡稱“天津工業(yè)生物所”）內(nèi),，研發(fā)人員喬婧正在重復每日的實驗流程,。當一滴滴碘液被加入試管，喬婧不由得愣住了：試劑變成了期待已久的顏色,，“藍色雖然很淡,，但這說明淀粉出現(xiàn)了！”回憶2018年的情景,，喬婧依然激動,。
同樣激動的還有天津工業(yè)生物所人工合成淀粉項目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信,，從會議室一路奔回實驗室,，設計了重復實驗。第二天,，“淀粉藍”如期出現(xiàn),，“太好了！”蔡韜懸著的心放了下來,，笑容洋溢在臉上,，身后的同事跟著鼓掌歡呼。
2021年,，人工合成淀粉團隊在國際刊物《科學》雜志上發(fā)表了結(jié)合人工光合反應和生物酶催化反應構(gòu)筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系,。“這是一項里程碑式的突破,，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響,。”審稿專家如此評價,。
人工合成淀粉項目的由來,，源于一次高鐵上的思考?！爱斀袷澜缑媾R氣候變化,、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn),，如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì),？”在出差回天津的高鐵上，這個念頭突然出現(xiàn)在天津工業(yè)生物所時任所長馬延和的腦海中,。經(jīng)過所里認真研判,，人工合成淀粉項目在2015年正式提出。
接到攻關任務邀請時,，蔡韜既興奮又擔憂,，人工合成淀粉，理論上來說可以實現(xiàn),，但此前沒有成功案例,，“我們想挑戰(zhàn)一下別人沒做成的事”,。
在自然界，玉米,、小麥,、土豆等農(nóng)作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成淀粉,。但這個自然過程需要大量的土地和淡水資源,，且受天氣影響很大。
能不能模擬自然界淀粉的合成過程,，通過技術手段實現(xiàn)人工合成淀粉,？
“我們最初的思路是利用可再生能源分解水產(chǎn)生電子或氫，然后利用電子或氫將二氧化碳還原為甲酸,、甲醇等簡單化合物,，進一步通過酶催化簡單化合物聚合生成淀粉?！辈添w說,，人工合成淀粉，是一場尋找“捷徑”的實驗,。
在農(nóng)作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應,。如果要進行工業(yè)化生產(chǎn),，就必須簡化步驟。蔡韜和團隊與所內(nèi)擅長生物設計的團隊合作,，從6568個生化反應中進行系統(tǒng)挖掘和篩選,，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設計了最短的人工淀粉合成路徑,。理論上,，二氧化碳僅通過9個主反應就能合成淀粉?！安綌?shù)越少,，問題就越少?！辈添w說,。
實驗一做就是3年，光是實驗記錄就摞了半人高,，團隊成員的心情也跟著實驗過程不斷起伏,。
問題出在哪里了？“就像河水斷流,，要找出是上游堵塞還是河道分叉,，弄清癥結(jié)才能解決問題,。”蔡韜說,，實驗最突出的問題是“酶”,。淀粉合成過程中多數(shù)反應都需要酶，自然界中的反應路徑通過長期自然選擇進化而成,，各個酶都能夠適配協(xié)作,，但人工設計的反應路徑卻不同。
“同一個酶往往能催化多個反應,，可能會帶來副作用,；有時會出現(xiàn)多個酶競爭一個底物，還有的酶會產(chǎn)生多種產(chǎn)物,?！睘檎{(diào)和酶之間的“矛盾”，蔡韜找到所里專門研究酶的團隊,，一起對酶進行定向改造或人工設計新酶,，來滿足淀粉合成人工路徑對酶的需要。
討論,、實驗,、推翻、再討論,、再實驗……團隊嘗試利用甲醇中“氫燃燒”產(chǎn)生的能量驅(qū)動產(chǎn)生甲醛的反應,，解決反應中的熱力學與動力學不匹配的問題，9個主反應也相應被拓展到11個,。
科學的積累是漫長的,，但突破有時只是一個瞬間。2018年7月24日上午,，蔡韜收到團隊成員的一張圖片,。打開后，蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍”,。
“現(xiàn)在來看,，那只是人工合成淀粉1.0版本?！辈添w說,，這幾年團隊完成了人工合成淀粉技術的迭代升級，不斷提高淀粉合成產(chǎn)量,，把淀粉的生產(chǎn)強度較1.0版本提高了136倍,，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
在蔡韜看來,，科研的最大成功是能夠落地應用,，幫助增進社會福祉，“接下來,，我們將加快讓科研成果從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應用的速度,，讓技術造物繪就科技惠民新圖景?！辈添w說,。（記者 龔相娟）