圖/東方IC

糧食不需要土地種植，可以在生產(chǎn)車間中制造出來。如今，這個看似天方夜譚的想象正在成為可能。

日前，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（下稱“天津工業(yè)生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，在國際上首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該成果于北京時間9月24日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

“這也意味著，我們所需要的淀粉，今后可以將二氧化碳作為原料，通過類似釀造啤酒的過程，在生產(chǎn)車間中制造出來。”天津工業(yè)生物所所長馬延和說。

為淀粉工業(yè)生產(chǎn)打開一扇窗

淀粉是人類糧食的最主要成分，主要由農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成。人們獲取淀粉，主要是直接從玉米、薯類等農(nóng)作物中提取。從2015年開始，天津工業(yè)生物所科研團隊啟動了人工合成淀粉項目。但是，淀粉并非稀缺資源，人工合成淀粉有什么重要意義？

“農(nóng)作物生長周期長，需要大面積種植，如何更高效地生產(chǎn)淀粉成為一個巨大的挑戰(zhàn)?！闭撐牡谝蛔髡?、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜解釋，“我們選擇做淀粉的人工合成研究，是想把非常慢的、大面積種植的農(nóng)業(yè)過程，變成高效的、集中化的工業(yè)過程?！?/p>

糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰(zhàn)。全球以淀粉為原料的產(chǎn)品大約有3萬多種，找到更廉價、更大量的替代淀粉非常重要。不依賴植物光合作用，設(shè)計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)?！拔覀冎锌圃菏强蒲袊谊牐鸵試抑卮髴?zhàn)略需求為導(dǎo)向開展科技攻關(guān)，做國家的事?！辈添w說道。

“我們的成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開了一扇窗。”蔡韜表示，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將有可能會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展，推動形成可持續(xù)的“生物基社會”。

人工淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍

淀粉是一種復(fù)雜有機物，它的合成也是一個復(fù)雜的過程。自然反應(yīng)中，淀粉合成與積累需涉及約60步代謝反應(yīng)和細(xì)胞間運輸，在工業(yè)生產(chǎn)中，必須將其簡化，又必須保證所有反應(yīng)的充分和精準(zhǔn)。因此，如何將農(nóng)業(yè)中復(fù)雜的合成途徑簡化為工業(yè)生產(chǎn)所需的簡單合成途徑，是人工合成淀粉面臨的最大挑戰(zhàn)。

“我們的整體設(shè)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(zhuǎn)化為高密度電/氫能作為能源，形成簡單的碳?xì)浠衔?，然后再設(shè)計出從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣蛇^程。”蔡韜說。6年的時間，科研團隊一直摸索的就是從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣陕窂健?/p>

經(jīng)過計算機算法挖掘和篩選，在起點二氧化碳和終點淀粉之間，科研團隊最終鎖定了30條可能的路徑。每一條可能的路徑都是一座迷宮，每一座迷宮中又有數(shù)個關(guān)口，也就是生化反應(yīng)，想要過關(guān)，必須尋找到相應(yīng)的“鑰匙”，即能催化反應(yīng)的特定的酶。

“自然途徑中的酶元件經(jīng)過上億年的進(jìn)化，已經(jīng)融合得非常好，就像一家人一樣。而人工途徑中的不同來源的酶元件‘打架’，這就需要我們?yōu)檫@些酶找到合適的相處方式，讓他們彼此適應(yīng)?！辈添w說道。

科研人員挖掘和改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，通過蛋白別構(gòu)調(diào)控改造、反應(yīng)時空分離優(yōu)化，解決了人工途徑中底物競爭、產(chǎn)物抑制、熱動力學(xué)匹配等問題。最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個酶逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉。

經(jīng)過各種優(yōu)化，科研團隊成功將從二氧化碳到淀粉的合成途徑簡化至11步，并實現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控。這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設(shè)計自然、超越自然目標(biāo)的實現(xiàn)邁進(jìn)了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

“經(jīng)過分析鑒定，我們合成的淀粉樣品無論成分還是理化性質(zhì)，都和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣?！辈添w說道。

按照目前的技術(shù)參數(shù)，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝（1畝≈666.7平方米）土地玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量。這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

未來前景可期

“現(xiàn)在在實驗室，我們有了一點樣品，但還沒有做應(yīng)用?！瘪R延和表示。

作為一種基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的原創(chuàng)性突破，人工合成淀粉仍處在實驗階段，產(chǎn)業(yè)化是科研團隊未來努力的方向。“要想實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決諸多的科技難題，不斷提升成果的經(jīng)濟性，才能與農(nóng)業(yè)種植競爭?！辈添w表示，在實現(xiàn)了從“0到1”的突破后，這項科學(xué)成果還需要盡快實現(xiàn)從“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終成為解決人類發(fā)展面臨重大問題的有效手段和工具。

據(jù)了解，經(jīng)科技部批準(zhǔn)，天津工業(yè)生物所正在牽頭建設(shè)國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心?？蒲袌F隊的下一步目標(biāo)，一方面是繼續(xù)攻克淀粉合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)控等底層科學(xué)難題，另一方面要推動成果走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，未來讓人工合成淀粉的經(jīng)濟可行性接近農(nóng)業(yè)種植。