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人工合成淀粉，技術(shù)造物新突破
2024/08/06 09:26 來源：人民網(wǎng) 閱讀：1.1萬
當(dāng)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(jià)值的物質(zhì),？人工合成淀粉項(xiàng)目便是其中一個(gè)嘗試,。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所于2018年實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目突破，之后不斷進(jìn)行技術(shù)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(shí)現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
魂?duì)繅衾@的藍(lán)色,，出現(xiàn)了,！
天津空港經(jīng)濟(jì)區(qū)，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)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(fù)每日的實(shí)驗(yàn)流程,。當(dāng)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(lán)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(dòng),。
同樣激動(dòng)的還有天津工業(yè)生物所人工合成淀粉項(xiàng)目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信,，從會(huì)議室一路奔回實(shí)驗(yàn)室,，設(shè)計(jì)了重復(fù)實(shí)驗(yàn)。第二天,，“淀粉藍(lán)”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(tuán)隊(duì)在國際刊物《科學(xué)》雜志上發(fā)表了結(jié)合人工光合反應(yīng)和生物酶催化反應(yīng)構(gòu)筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系?！斑@是一項(xiàng)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?！睂徃鍖＜胰绱嗽u價(jià),。
人工合成淀粉項(xiàng)目的由來，源于一次高鐵上的思考,?！爱?dāng)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(jià)值的物質(zhì)？”在出差回天津的高鐵上,，這個(gè)念頭突然出現(xiàn)在天津工業(yè)生物所時(shí)任所長馬延和的腦海中,。經(jīng)過所里認(rèn)真研判,，人工合成淀粉項(xiàng)目在2015年正式提出。
接到攻關(guān)任務(wù)邀請時(shí),，蔡韜既興奮又擔(dān)憂,，人工合成淀粉，理論上來說可以實(shí)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(gè)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(shù)手段實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn),。
在農(nóng)作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應(yīng),。如果要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),，就必須簡化步驟。蔡韜和團(tuán)隊(duì)與所內(nèi)擅長生物設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)合作,，從6568個(gè)生化反應(yīng)中進(jìn)行系統(tǒng)挖掘和篩選,，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設(shè)計(jì)了最短的人工淀粉合成路徑,。理論上,，二氧化碳僅通過9個(gè)主反應(yīng)就能合成淀粉?！安綌?shù)越少,，問題就越少。”蔡韜說,。
實(shí)驗(yàn)一做就是3年,，光是實(shí)驗(yàn)記錄就摞了半人高，團(tuán)隊(duì)成員的心情也跟著實(shí)驗(yàn)過程不斷起伏,。
問題出在哪里了,？“就像河水?dāng)嗔鳎页鍪巧嫌味氯€是河道分叉,，弄清癥結(jié)才能解決問題,。”蔡韜說,，實(shí)驗(yàn)最突出的問題是“酶”,。淀粉合成過程中多數(shù)反應(yīng)都需要酶，自然界中的反應(yīng)路徑通過長期自然選擇進(jìn)化而成,，各個(gè)酶都能夠適配協(xié)作,，但人工設(shè)計(jì)的反應(yīng)路徑卻不同。
“同一個(gè)酶往往能催化多個(gè)反應(yīng),，可能會(huì)帶來副作用,；有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)酶競爭一個(gè)底物，還有的酶會(huì)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(tuán)隊(duì),，一起對酶進(jìn)行定向改造或人工設(shè)計(jì)新酶,，來滿足淀粉合成人工路徑對酶的需要。
討論,、實(shí)驗(yàn),、推翻、再討論,、再實(shí)驗(yàn)……團(tuán)隊(duì)嘗試?yán)眉状贾小皻淙紵碑a(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生甲醛的反應(yīng),，解決反應(yīng)中的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)不匹配的問題，9個(gè)主反應(yīng)也相應(yīng)被拓展到11個(gè),。
科學(xué)的積累是漫長的，但突破有時(shí)只是一個(gè)瞬間,。2018年7月24日上午,，蔡韜收到團(tuán)隊(duì)成員的一張圖片。打開后,，蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍(lán)”,。
“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(tuán)隊(duì)完成了人工合成淀粉技術(shù)的迭代升級，不斷提高淀粉合成產(chǎn)量,，把淀粉的生產(chǎn)強(qiáng)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(shí)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(yīng)用，幫助增進(jìn)社會(huì)福祉,，“接下來,，我們將加快讓科研成果從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度，讓技術(shù)造物繪就科技惠民新圖景,?！辈添w說。（記者 龔相娟）