专栏首页科研猫Science重磅:我国科学家突破CO₂人工合成淀粉技术,突破光合作用壁垒

Science重磅:我国科学家突破CO₂人工合成淀粉技术,突破光合作用壁垒

淀粉作为人类食物中,热量最主要的摄入来源(张80%)以上,对于人类的生活影响太大了,那么到底有没有可能不依赖农田,人工构建非自然途径来合成呢?

来自中国科学院天津工业生物技术研究所的马延和研究员及其团队,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。

核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。实验室初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能,为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。相关研究成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表于最新一期《Science》上,并被新华社、科技日报争相报道。

研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。

人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

本文通讯作者马延和研究员表示,该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗,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,推动形成可持续的生物基社会。

《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为,该研究成果将为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线。

中科院院士赵国屏表示,这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果。德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹称,本项工作将该领域的研究向前推进了一大步。

目前经科技部批准,正在继续加大投入,积极研究技术和底层调配。这是中国科学家的又一次在国际舞台上的惊艳亮相。

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原始发表时间:2021-09-24

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