可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成,是玉米淀粉合成速率的8.5倍——
人工合成淀粉,技術(shù)造物新突破
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當(dāng)今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn),如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì)?人工合成淀粉項目便是其中一個嘗試。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所于2018年實現(xiàn)項目突破,之后不斷進(jìn)行技術(shù)迭代升級。如今,人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
蔡韜展示人工合成淀粉樣品。人民網(wǎng)記者 崔新耀攝
魂牽夢繞的藍(lán)色,出現(xiàn)了!
天津空港經(jīng)濟區(qū),中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(以下簡稱“天津工業(yè)生物所”)內(nèi),研發(fā)人員喬婧正在重復(fù)每日的實驗流程。當(dāng)一滴滴碘液被加入試管,喬婧不由得愣住了:試劑變成了期待已久的顏色,“藍(lán)色雖然很淡,但這說明淀粉出現(xiàn)了!”回憶2018年的情景,喬婧依然激動。
同樣激動的還有天津工業(yè)生物所人工合成淀粉項目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信,從會議室一路奔回實驗室,設(shè)計了重復(fù)實驗。第二天,“淀粉藍(lán)”如期出現(xiàn),“太好了!”蔡韜懸著的心放了下來,笑容洋溢在臉上,身后的同事跟著鼓掌歡呼。
人工合成淀粉樣品。人民網(wǎng)記者 崔新耀攝
2021年,人工合成淀粉團隊在國際刊物《科學(xué)》雜志上發(fā)表了結(jié)合人工光合反應(yīng)和生物酶催化反應(yīng)構(gòu)筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系?!斑@是一項里程碑式的突破,將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響?!睂徃鍖<胰绱嗽u價。
人工合成淀粉項目的由來,源于一次高鐵上的思考。“當(dāng)今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn),如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì)?”在出差回天津的高鐵上,這個念頭突然出現(xiàn)在天津工業(yè)生物所時任所長馬延和的腦海中。經(jīng)過所里認(rèn)真研判,人工合成淀粉項目在2015年正式提出。
接到攻關(guān)任務(wù)邀請時,蔡韜既興奮又擔(dān)憂,人工合成淀粉,理論上來說可以實現(xiàn),但此前沒有成功案例,“我們想挑戰(zhàn)一下別人沒做成的事”。
在自然界,玉米、小麥、土豆等農(nóng)作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成淀粉。但這個自然過程需要大量的土地和淡水資源,且受天氣影響很大。
能不能模擬自然界淀粉的合成過程,通過技術(shù)手段實現(xiàn)人工合成淀粉?
“我們最初的思路是利用可再生能源分解水產(chǎn)生電子或氫,然后利用電子或氫將二氧化碳還原為甲酸、甲醇等簡單化合物,進(jìn)一步通過酶催化簡單化合物聚合生成淀粉?!辈添w說,人工合成淀粉,是一場尋找“捷徑”的實驗。
在農(nóng)作物中,淀粉的合成大約需要60步代謝反應(yīng)。如果要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),就必須簡化步驟。蔡韜和團隊與所內(nèi)擅長生物設(shè)計的團隊合作,從6568個生化反應(yīng)中進(jìn)行系統(tǒng)挖掘和篩選,分別從甲酸或甲醇出發(fā),設(shè)計了最短的人工淀粉合成路徑。理論上,二氧化碳僅通過9個主反應(yīng)就能合成淀粉。“步數(shù)越少,問題就越少?!辈添w說。
實驗一做就是3年,光是實驗記錄就摞了半人高,團隊成員的心情也跟著實驗過程不斷起伏。
問題出在哪里了?“就像河水?dāng)嗔?,要找出是上游堵塞還是河道分叉,弄清癥結(jié)才能解決問題。”蔡韜說,實驗最突出的問題是“酶”。淀粉合成過程中多數(shù)反應(yīng)都需要酶,自然界中的反應(yīng)路徑通過長期自然選擇進(jìn)化而成,各個酶都能夠適配協(xié)作,但人工設(shè)計的反應(yīng)路徑卻不同。
“同一個酶往往能催化多個反應(yīng),可能會帶來副作用;有時會出現(xiàn)多個酶競爭一個底物,還有的酶會產(chǎn)生多種產(chǎn)物。”為調(diào)和酶之間的“矛盾”,蔡韜找到所里專門研究酶的團隊,一起對酶進(jìn)行定向改造或人工設(shè)計新酶,來滿足淀粉合成人工路徑對酶的需要。
討論、實驗、推翻、再討論、再實驗……團隊嘗試?yán)眉状贾小皻淙紵碑a(chǎn)生的能量驅(qū)動產(chǎn)生甲醛的反應(yīng),解決反應(yīng)中的熱力學(xué)與動力學(xué)不匹配的問題,9個主反應(yīng)也相應(yīng)被拓展到11個。
科學(xué)的積累是漫長的,但突破有時只是一個瞬間。2018年7月24日上午,蔡韜收到團隊成員的一張圖片。打開后,蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍(lán)”。
“現(xiàn)在來看,那只是人工合成淀粉1.0版本。”蔡韜說,這幾年團隊完成了人工合成淀粉技術(shù)的迭代升級,不斷提高淀粉合成產(chǎn)量,把淀粉的生產(chǎn)強度較1.0版本提高了136倍,人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
在蔡韜看來,科研的最大成功是能夠落地應(yīng)用,幫助增進(jìn)社會福祉,“接下來,我們將加快讓科研成果從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度,讓技術(shù)造物繪就科技惠民新圖景。”蔡韜說。
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