小天使集团∣人工合成淀粉从0到1的“跨越”, 未来将对“生物基社会”产生哪些影响?

发布时间:2021-10-16

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如果有一天,我们不需要种地,也不需要绿色植物,而以太阳光、水和CO₂为原料,在工厂里就可以像植物一样源源不断生产出淀粉,你是否会感觉遥不可及?然而,在不久的将来,这一切都将有望实现。

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所通过6年技术攻关,在人工合成淀粉方面取得重大突破性进展,国际上首次在实验室实现了二氧化碳(CO₂)到淀粉的合成。

在国际上首次实现了从CO₂到淀粉的从头全合成,使淀粉生产的单一传统农业种植模式,向工业车间生产模式转变成为可能——这被国际学术界认为将是影响世界的重大颠覆性技术。

那么这项技术的突破,究竟有何“厉害”之处?又有何科学意义和现实意义呢?今天小天使集团搜集相关资料,为大家解读困惑。



01人工合成的“深层背景”

淀粉是人类粮食的最主要成分,来源于谷类及薯类等农作物,主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、CO₂和水转化而成,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。

有没有一种办法能够摆脱植物来合成淀粉?70年代的石油危机和近年来石油化工原料的价格猛涨,以及对环境污染和健康等问题的重视,全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种,找到更廉价、更大量的替代淀粉非常重要。不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定CO₂合成淀粉,将是影响世界的重大颠覆性技术。

自合成生物学诞生以来,人们就开始尝试人工构建非自然途径,实现CO₂到淀粉的转化,以突破植物媒介光合作用的瓶颈。但是,因为技术路线不清、瓶颈问题难测,这条科研之路存在很多不确定性。  

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。”如今人工合成淀粉已成为可能。




02人工合成淀粉的“技术路径

用CO₂人工合成淀粉,这项颠覆性技术是如何实现的?

从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。可如何更高效地将光能转变为化学能?科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式,首先光伏发电将光能转变为电能,这样光伏电水解产生氢气,然后催化利用氢气将CO₂还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能,该过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。

甲醇储存了来自太阳能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。科研人员想到从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含11步主反应的甲醇到淀粉的人工路线—ASAP。

科研人员挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最终合成了直链和支链淀粉。

从技术创新角度看,通过发展高效的人工催化剂和生物酶,从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新途径。按照20%的光电转化效率计算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%,其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。

这意味着按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1m³大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算),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,为CO₂到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗。


03人工合成淀粉的“应用前景

“当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。CO₂的转化利用与人工合成淀粉,正是应对挑战的重大科技问题之一。”人工合成淀粉不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有深远影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。

这一成果为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础,为在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响,将使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。如果未来该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,将有可能会节约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,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续发展的“生物基社会”(“生物基”来源于可再生天然资源,具有环境友好、原料可再生、低碳环保等特性),将为全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列问题带来深远影响。

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