二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)團(tuán)隊對相關(guān)問題解讀及其生物降解行業(yè)意義

二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)團(tuán)隊對相關(guān)問題解讀及其生物降解行業(yè)意義

淀粉是人類最根本和最重要的食物，也是重要的工業(yè)原料。傳統(tǒng)淀粉的生產(chǎn)主要靠玉米等農(nóng)作物通過光合作用，將二氧化碳等無機(jī)化合物合成為淀粉，需要漫長的生長周期，波及60余步生化反饋，對土地、水、肥料、日照等資源都有要求，能量的轉(zhuǎn)化率也不高，而人工淀粉合成一直是一個未被攻破的難題。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的科學(xué)家們合作，探索出一條「無中生有」的技術(shù)路線，在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉分子的全合成。

相關(guān)研究成果以「Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide」為題發(fā)表于9月24日國際學(xué)術(shù)期刊?Science》上，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜擔(dān)任共同第一作者，馬延和為通訊作者。

以工業(yè)生產(chǎn)中排放的高濃度二氧化碳作為原料，使用高密度電/氫能和化學(xué)催化劑將二氧化碳復(fù)原為甲醇。再通過設(shè)計構(gòu)筑一種全新的重組酶，利用酶的催化將甲醇聚合為碳三化合物，進(jìn)一步聚合成碳六化合物，最終組裝成直鏈/支鏈淀粉，合成了與天然淀粉成分完全相同的人工淀粉。

蔡韜在實驗室展示人工合成淀粉樣品|圖源：新華社

在實驗室中，這一合成路徑能以22納摩爾每分每毫克的速率將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉，是自然環(huán)境中玉米通過光合作用合成淀粉的速率的8.5倍，能量效率是玉米的3.5倍。在充足能量供應(yīng)的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)，1立方米大小的生物反饋器年產(chǎn)淀粉量能可與我國5畝玉米地相當(dāng)。

科研團(tuán)隊喬婧科研助理、蔡韜副研究員、馬延和研究員、朱蕾蕾研究員、孫紅兵科研助理〔從左至右〕合影

多位中外專家評論認(rèn)為，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)。這更讓人們看到一種可能——農(nóng)業(yè)可以由種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，人類向設(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)立新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)根底。

目前，這一成果尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離。據(jù)介紹，科研人員正在針對工業(yè)化的問題進(jìn)行攻關(guān)，比方解決酶的穩(wěn)定性、活力、本錢等問題，探索多條技術(shù)路線等，預(yù)計未來5到10年能夠建立起工業(yè)化示范裝置。

相關(guān)問題解答引援自中國科普博覽對研究團(tuán)隊，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的孫紅兵、蔡韜、王欽宏三位老師的采訪。

1.以后都不用種地了嗎？

不是的。首先，目前的研究成果還處于實驗室階段，其次，后期考慮先替代工業(yè)淀粉。

2.這項研究厲害在哪兒？

自然界的淀粉合成需要60多步復(fù)雜的反饋和精細(xì)的調(diào)控，目前，這條人工合成路徑只需要11步！能讓我們未來能夠像工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)啤酒一樣生產(chǎn)淀粉。

這是一項中國科學(xué)家做出的原創(chuàng)性重大突破，由中科院天津工業(yè)生物所科研團(tuán)隊聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所完成。

這里需要特別注意的是，科學(xué)家們并不是將60多步刪刪減減，就得到11步，而是重新設(shè)計出了一條路。

他們首先從很多種生物的生物化學(xué)反饋中，計算出了一條極簡路徑，但是這個路徑是計算出來的，實際操作中各個步驟之間不太兼容，比方所需要的反饋條件不太一樣?？茖W(xué)家們又通過模塊化思維，選擇不同的反饋過程，才摸索出了這條11步的反饋路徑。

然后，科學(xué)家們又通過蛋白質(zhì)生物項目改造伎倆和反饋時空別離，提高反饋效率和速度。

就是現(xiàn)在大家看到的這個人工合成辦法啦！

3.和天然合成的淀粉相比，味道如何？

這……也不舍得品嘗?。?！

不過，現(xiàn)在的辦法已經(jīng)可以實現(xiàn)直鏈淀粉和支鏈淀粉的可控合成了！

4.關(guān)于能耗和本錢

不少人關(guān)懷能耗問題，目前研究處于實驗室階段，生產(chǎn)全程的能耗還沒有準(zhǔn)確計算，但是工業(yè)化之前這個問題大家一定能得到答案，一步步來。

還有不少人問本錢，同樣的原因～再次強(qiáng)調(diào)，研究目前還處于實驗室階段，別的不說，就說酶，酶有多貴如果不知道的話可以問一下學(xué)生物的朋友……這也是大規(guī)模工業(yè)化之前必須解決的問題，一步步來。

5.接下來還會做什么？

雖然現(xiàn)在的結(jié)果非常振奮人心，但是理論上，這一辦法的能量利用效率和合成速率比現(xiàn)在的結(jié)果更高，科學(xué)家們還將繼續(xù)優(yōu)化這一過程，沖擊更高的反饋效率和速度！

6.有沒有可能“換道超車〞？

其實人工合成淀粉的想法由來已久，即使是替代一局部糧食淀粉作為工業(yè)原料、甚至飼料，也是對緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大奉獻(xiàn)。

合成生物學(xué)被認(rèn)為是影響未來的顛覆性技術(shù)。模擬自然作物光合作用，重新設(shè)計生命合成代謝過程，設(shè)計人工生物系統(tǒng),不依賴植物種植進(jìn)行淀粉制造，潛藏著驚人的變革前景。確實這條路線存在很多的不確定性，科學(xué)問題復(fù)雜，技術(shù)路線不清、瓶頸問題難測，但是，科學(xué)研究就需要大膽的實踐、勇闖無人區(qū)。

國家要求我們，敢于走前人沒走過的路，努力實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，把創(chuàng)新主動權(quán)、開展主動權(quán)牢牢掌握在自己手中。我們科技工作者要有強(qiáng)烈的國家使命感，面向國家重大戰(zhàn)略需求，在科技工作中做出重大創(chuàng)新奉獻(xiàn)是我們的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。“從二氧化碳到淀粉的人工合成〞工業(yè)路徑是事關(guān)長遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點。

學(xué)習(xí)植物，利用科學(xué)，我們解決了兩個問題

從二氧化碳到淀粉，也就是從C1〔碳一化合物〕到Cn〔多碳化合物〕的過程，并不容易。

自然界中，玉米等農(nóng)作物中淀粉的合成與積累波及約60步代謝反饋以及復(fù)雜的生理調(diào)控，但是理論能量轉(zhuǎn)化效率僅為2%左右。

7.人工合成淀粉的路，怎么走得又快又好？

首先，我們設(shè)計了一條從C1〔一碳化合物〕到Cn〔多碳化合物〕的新路徑。

針對植物只能利用空氣中低濃度二氧化碳〔0.04%〕、低能量密度的太陽能〔10w/m2〕、生長周期長〔3-4個月〕、天然淀粉合成途徑長〔大約60個步驟〕、催化效率低〔需要關(guān)鍵酶RuBisco〕等關(guān)鍵問題，科研人員耦合化學(xué)催化與生物催化技術(shù)，充沛發(fā)揮化學(xué)催化速度快與生物催化可合成復(fù)雜化合物的優(yōu)勢，從頭設(shè)計和構(gòu)建了從二氧化碳到淀粉合成只有11步反饋的人工途徑(ArtificialStarchAnabolicPathway,ASAP)，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的全合成。

受天然光合作用的啟發(fā)，科研人員在太陽能分解水制綠氫的技術(shù)上，進(jìn)一步開發(fā)了高效的化學(xué)催化劑，把二氧化碳復(fù)原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物〔也就是C1〕，完成了光能——電能——化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，該過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率〔2%〕，也為后續(xù)進(jìn)一步采用生物催化合成淀粉奠定了理論根底。

第二，我們用“搭積木〞的思維解決了適配性問題。

人工合成淀粉的最大挑戰(zhàn)在于，天然淀粉合成途徑是通過數(shù)億年的自然選擇進(jìn)化而成，各個酶都能夠很好地適配協(xié)作，而人工設(shè)計的反饋途徑卻未必如此完美。

為了解決酶的適配問題，基于每個模塊終產(chǎn)物的碳原子數(shù)量，科研人員采用“模塊化〞——“搭積木〞的思路，將整條途徑拆分為四個模塊，分別命名為C1〔一碳化合物〕，C3〔三碳化合物〕，C6〔六碳化合物〕和Cn〔多碳化合物〕模塊。每個模塊的原料和產(chǎn)物都是確定的，但是可以有多種反饋過程，科研人員要做的，就是到四個模塊最正確的組合方式。

科研人員在解決了熱力學(xué)不匹配、動力學(xué)陷阱等問題后，對各模塊進(jìn)行不斷地測試、組裝與調(diào)整，最終成功創(chuàng)立了1.0版途徑，實現(xiàn)了人工淀粉的實驗室合成，該途徑包含了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑。

在此根底上，科研人員采用蛋白質(zhì)項目改造伎倆，對1.0版途徑中的三個關(guān)鍵限速步驟進(jìn)行了改造，解決了途徑中的限速酶活性低、輔因子抑制、ATP競爭等難題，得到2.0版途徑。

在2.0版途徑中，生物酶催化劑的用量減少為1.0版本用量的50%左右，淀粉的產(chǎn)率提高了13倍。

進(jìn)一步地，與二氧化碳通過化學(xué)法復(fù)原生成甲醇的反饋偶聯(lián)，構(gòu)建出包括一個化學(xué)反饋單元和一個多酶反饋單元的3.0版本，通過反饋時空別離優(yōu)化，解決了途徑中的底物競爭、產(chǎn)物抑制、中間產(chǎn)物毒性等問題，建立了生化級聯(lián)反饋系統(tǒng)，淀粉的產(chǎn)率又提高了10倍，并可實現(xiàn)直鏈淀粉與支鏈淀粉的可控合成。

可以說，該人工系統(tǒng)將植物淀粉合成的羧化-復(fù)原-重排-聚合以及需要組織細(xì)胞間轉(zhuǎn)運的復(fù)雜過程簡化為復(fù)原-轉(zhuǎn)化-聚合反饋過程，目前，根據(jù)數(shù)據(jù)推算，使用人工合成辦法，從太陽能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

認(rèn)識自然，學(xué)習(xí)自然，超越自然

按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，在能量供應(yīng)充足的條件下，1立方米大小的生物反饋器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝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。

工業(yè)車間制造淀粉一旦成功，與農(nóng)業(yè)種植相比，將有時機(jī)節(jié)省超過90%的土地和淡水資源，而且可以打消化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的負(fù)面影響，這對提高人類糧食平安水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)開展具有十分重大的意義。

可以想象，到時我們所需的淀粉，可以利用空氣中的二氧化碳作為原料，通過類似生產(chǎn)啤酒發(fā)酵一樣的過程，在生產(chǎn)車間中制造出來，這將對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的開展具有里程碑式的意義，是一項具有“頂天立地〞重大意義的科研成果，是典型的“0〞到“1〞的原創(chuàng)性突破。

事件意義〔宏觀意義〕

目前國內(nèi)經(jīng)常談起的“碳中和/碳達(dá)峰〞，本質(zhì)來說就是環(huán)節(jié)并解決全球變暖這一問題，人工合成淀粉是解決這一難題的新希望。

先不說什么尾氣排放、工業(yè)生產(chǎn)帶來的碳排放有多大，大家每天也看得見摸得著。2022年巴西境內(nèi)的那場亞馬遜雨林大火。大火之前的20年里，整個亞馬遜雨林每年為地球減少17億噸的二氧化碳排放量，然而單是因為2022年的那場大火，亞馬遜雨林就已經(jīng)排放了超過36億噸二氧化碳。

這36億噸，放到2022年就是全球碳排放總和的十分之一。并且因為二氧化碳的過度排放，在過去100年里，全球氣溫已經(jīng)回升了0.85攝氏度，海平面回升了1.5米。

專家預(yù)測，如果二氧化碳排放量再不加以控制，到了2500年，僅南極冰川融化就能使海平面回升15米。所以各個國家為了減排，真的是費盡心力，什么碳獎勵、碳收集、碳固化，連大家在螞蟻森林的沙漠里種的一棵棵沙棘樹也是為了減少碳排放。

如果能把二氧化碳成功的轉(zhuǎn)換成淀粉成功工業(yè)化，“一拍即合〞，無疑是一件利于全球生態(tài)治理的好事。

事件意義〔對生物基塑料行業(yè)意義〕

目前可以規(guī)?；a(chǎn)的生物基塑料主要是聚乳酸〔PLA〕。PLA的原料是乳酸，而