【憑“空”造澱粉?五問人工合成澱粉新成果】#我國科學家突破人工合成澱粉技術#澱粉在日常生活中幾乎隨處可見,烹飪調味料、護膚化妝品、雜志封面紙、膠囊外殼、棉紗紡織……無一不用到澱粉。近期,中國科學院天津工業生物技術研究所(以下簡稱天津工業生物所)的科研團隊經過6年探索,在實驗室里首次實現了澱粉分子的人工合成。

這是國際上首次創建出電/氫能驅動二氧化碳從頭合成澱粉的途徑,比自然路線反應步數更少、澱粉合成速率更快。就與成果相關的一些問題,《中國科學報》採訪了科研人員。

一問:為什麼要合成澱粉

澱粉並非稀缺資源。想得到澱粉,最簡單的方法是直接從玉米、薯類等農作物中提取。那麼,科研人員為什麼還要費時費力地合成澱粉?

“我們是想把非常慢的、大面積種植的農業過程,變成高效的、集中化的工業過程。”論文第一作者、天津工業生物所副研究員蔡韜告訴《中國科學報》,“農作物生長周期長、需要大面積種植,而且用於提高產量的各種育種技術已進入平台期,如何更高效地生產澱粉成為一個巨大挑戰。”

長久以來,為了提高農作物產量,科學家探索出了雜交育種、分子育種等各種遺傳育種方法。在遺傳育種將農作物產量向極限提升的同時,生物合成技術也受到關注。

2015年,國際納米材料科學家楊培東構建出了一套“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。2018年,美國國家航空航天局(NASA)發起了名為“二氧化碳轉化挑戰賽”的“百年挑戰計劃”,希望能將火星上最充足的資源——二氧化碳,轉化成葡萄糖等有用的化合物,以滿足人類在火星上生存和生活所需。

從2015年開始,天津工業生物所科研團隊啟動了人工合成澱粉項目。“之所以選擇做澱粉的人工合成研究,是因為澱粉很重要。它是農耕文明的核心分子,提供了人類生存所需的熱量。”蔡韜說。

“全球以澱粉為原料的產品大約有3萬多種,我們如何找到更廉價、更大量的替代澱粉?這項研究已經邁出了重要一步。”未參與此項研究工作的中國工程院院士嶽國君評論說。

二問:澱粉是怎麼被合成出來的

“我們的整體設計思路是將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來作為原料,將低密度太陽能轉化為高密度電/氫能作為能源,形成簡單的碳氫化合物,然後設計出從碳氫化合物到澱粉的生物合成過程。”蔡韜說。

早在2015年,科研團隊就確定了這一設計思路。此後6年里,在二氧化碳電/氫轉化甲醇技術基礎上,科研團隊一直在摸索從碳氫化合物到澱粉的生物合成路徑。

“澱粉是一種複雜有機物,它的合成也是一個複雜過程,我們要將其變成一個簡單過程。”蔡韜說。

最初,他們在從二氧化碳到澱粉的6568個生化反應中,計算出了一條最短的合成途徑。這條途徑共有11步主反應,大致是先做化學反應——利用高密度電/氫能將二氧化碳還原為碳一化合物,再做生物反應——將碳一化合物聚合為碳三化合物、碳六化合物(即葡萄糖)直至長鏈澱粉分子。

但這只是一條理論的虛擬途徑,科研團隊必須在現實中把這條路走通。“計算出來的途徑中,很多酶的組合在現實中從來沒有出現過。”蔡韜說,不同的酶“脾氣秉性”不同,它們組合在一起之後會產生一些不可控的問題。

例如,生物合成的第一步是要從碳一化合物合成出碳三化合物,而此前國內外的研究成果一直存在合成產物不可控的問題,從碳一化合物可能會生成碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳氫化合物。於是,他們從頭設計碳碳縮合酶新序列,創建出了非自然的碳碳縮合酶,以促成從碳一化合物到碳三化合物的聚合,最終成功實現了從甲醛到2—羥基丙酮的可控生化反應。

與此同時,他們還進一步改造來自動物、植物、微生物等不同物種的生物酶催化劑,構建從2—羥基丙酮到葡萄糖異生代謝、多糖聚合功能模塊,組裝複雜的生化級聯反應體系,通過蛋白別構調控改造、反應時空分離優化,解決人工途徑中底物競爭、產物抑制、熱動力學匹配等問題。

經過各種優化,科研團隊成功將從二氧化碳到澱粉的合成途徑簡化至11步,並實現了精准調控。“這就是我們最初的夢想——憑空製造,隨心所欲。”論文通訊作者,天津工業生物所所長、研究員馬延和說。

三問:人工合成澱粉跟自然澱粉一樣嗎

“如果把人工合成澱粉做成麵條、粉絲,大概會像義大利面那樣勁道。”馬延和表示,自然澱粉是直鏈澱粉和支鏈澱粉混在一起,目前實驗室里合成的主要是直鏈澱粉,合成的支鏈澱粉沒有自然澱粉中的支鏈澱粉那麼複雜。

“在外觀上,人工合成澱粉跟從玉米、薯類等農作物中提純出來的澱粉看起來是一樣的。”蔡韜說,實驗室里通過人工合成產生的澱粉處於溶解狀態,“是比較稀的澱粉糊糊,幹燥後會變成粉狀”。

科研人員對澱粉的基本判斷方法是在溶液中加碘液,直鏈澱粉遇碘呈藍色,支鏈澱粉遇碘呈紫紅色。此外,他們還專門對合成物進行了理化分析。“通過核磁共振等檢測,它和自然生產的澱粉一模一樣。”蔡韜說。

四問:有可能實現工業化生產嗎

作為一項基礎研究領域的原創性突破,人工合成澱粉仍處在實驗階段。那麼,未來它是否有工業化生產的可能?對此,科研人員表示,有潛力也有挑戰。

“實驗室里合成出澱粉大約需要4個小時。就人工合成澱粉的途徑來看,從太陽能到澱粉的能量效率是玉米的3.5倍,澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。”蔡韜說。

他告訴記者,在實驗室里,規模還比較小,平均1小時能合成出的澱粉只有幾克,但是按照目前的技術參數,在能量供給充足的條件下,1立方米的生物反應器年產澱粉量相儅於5畝土地玉米種植的澱粉平均年產量,這為澱粉生產的車間製造提供了可能。

“如果人工合成澱粉示范可以達到理論能量轉換效率的80%,那麼10度電大約可以合成1千克澱粉。”馬延和說。

同時,蔡韜也直言,產業化應用還有很大挑戰。一方面,在工程生物學基礎理論和工程設計方面還有問題要解決;另一方面,就經濟性而言,從控制過程成本初步計算,只有二氧化碳到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,才能與農業種植競爭。因此,實現工業化生產,還需解決諸多的科技難題。

五問:接下來還要做什麼

“我們做的是應用導向的基礎研究,目前取得的只是階段性進展,後面還面臨著很多難題。”蔡韜表示,科研團隊已經邁出了第一步,即從理解細胞的基礎代謝原理到設計細胞外生物化學反應途徑。接下來,他們還要建立從二氧化碳到澱粉的可控網路和生態系統,並嘗試在細胞內實現澱粉的人工合成。

產業化也是他們努力的方向。“我們計劃在未來5至10年內,建立工業示范,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,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。”馬延和說。

此外,蔡韜表示,目前研究團隊規模尚小,希望與相關研究所、大學和企業等創新力量加強合作,推進人工合成澱粉工程化進程。

“中國科學院將集成相關科技力量,一如既往地支持該項研究深入推進。”中國科學院副院長、中國科學院院士周琪表示,後續研究團隊還需要盡快實現從“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破,最終真正解決人類發展面臨的重大問題。@中科院之聲 http://t.cn/A6Mb7nhs

更多學習動態

全站最新消息

d