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中科院先进院刘陈立等人谈二氧化碳到人工淀粉的完全合成:展示了合成生物学理念应用于双碳和农业粮食生产领...

2021-09-26  长沙7喜

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我国科学家取得原创性 “0 到 1” 的突破,在全球首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

理论上,从头合成淀粉意味着,不再需要种植玉米等农作物,可以像工业生产酿造啤酒一样车间生产淀粉。如此一来,将有机会节省超过 90% 的土地和淡水资源,以及肥料、农药等农业生产资料。

这项研究发表在 Science 上,由中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和带队完成,用时六年

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(来源:Science

该系统成功地实现了空气中二氧化碳到人类主要膳食来源淀粉的高效快速制备。马延和老师的工作展示了合成生物学理念应用于双碳和农业粮食生产领域的巨大潜力,该工作有望开辟基于可再生能源技术的粮食制造新范式。” 中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所所长刘陈立在接受生辉 SynBio 采访时指出。

他补充说,“该领域下一步的方向与竞争的焦点将是如何实现其他葡萄糖衍生物食品与化学品的定制化合成,以及如何实现 '概念’到'量产’的跨越。

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从头设计极简路径


淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,合成与积累涉及约 60 多步代谢反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为 2% 左右。

研究团队从头设计出 11 步的人工合成新途径,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍,理论能量转化效率是玉米的 3.5 倍

直观来看,理论上 1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量,相当于 5 亩土地玉米种植的平均产量。

刘陈立所长进一步解读道,马延和团队开发了一种无细胞的化学 - 生物杂合系统,该系统首先利用无机催化剂将氢气与二氧化碳转化为甲醇,然后利用蛋白质与模块工程,构建了多步的体外生物酶催化体系,将甲醇合成葡萄糖聚合物 - 淀粉。

这条路径简称为 ASAP(The artificial starch anabolic pathway),恰巧和 “as soon as possible” 简称一样,有了高效、快速的寓意。这条人工合成新路径并非简单地在原本 60 多步的基础上删删减减,而是从头计算和设计了一条自然界中不存在的极简路径。

现在看到的玉米,历经了亿万年的自然演化和人工选择,糖分、脂肪、淀粉等含量已经进化到极致。而研究团队用了六年时间,利用化学和生物催化方法协同,以及高密度的电氢能,组合了不同物种来源的生物酶,人工合成了一条自然界中不存在的淀粉生物合成通路,超越了自然。

在自然进化下无法实现的,在合成生物学工程化思维的指导思想下或许会有惊喜。

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图 | 人工淀粉合成代谢途径(来源:研究论文)

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解决两大难题


国家级的挑战,那么在这条通路中,最具突破性的环节体现在哪一步呢?

清华大学化学工程系李春教授告诉生辉 SynBio,这项研究中最难的是完成了从一碳化合物(甲醇、甲醛、甲酸),到三碳化合物的生物合成通路构建。

第一个难题是,如何更高效地从一碳化合物到多碳化合物?

受到天然光合作用的启发,研究人员在太阳能分解水制绿氢的技术上,进一步开发了高效的化学催化剂,把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物,完成了光能 —— 电能 —— 化学能的转化,能量转化率远超自然光合作用。

研究人员通过计算机辅助设计的人工合成途径,可由来自动物、植物、微生物等 31 种不同物种来源的 62 个酶参与,那么第二个难题就是,如何从62个酶中筛选出10个,并更好地让每个酶协作?


为了解决这一问题,研究人员采用了 “模块化” 思维,就像搭积木一般,把途径拆分为四个模块,通过对各模块的不断测试、组装和调整,经过三个版本的更迭,不断提升淀粉的产率。

这条通路结合了化学催化速度快、生物催化可合成复杂化合物的优势。业内人士在接受 “中新网” 采访时也评价道,“这是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例”、“也显示出将化学和生物相结合的方法对于生物基化学品和材料生产的重要性”。

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“1 到 10”“10 到 100”


将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品,是一项国家性的挑战。

根据公开消息,每年释放到大气中的二氧化碳有约 300 亿吨。不过暂不能确定有多少可以被有效捕获,用于工业化生产淀粉。

人们把更多的好奇心放在了火星上,火星二氧化碳成分高达 95%。2018 年,美国国家航空和宇宙航行局 (NASA) 发布了类似的项目,旨在研发一种可以将二氧化碳转化为葡萄糖作为能源的技术来进行载人火星任务。

去年也有研究人员发表研究,其中提到在 Stage 0 阶段,需要验证以二氧化碳为原料制造生物制品的可行性理论上以二氧化碳为制造原料,可以满足日常衣食住行的大部分需求。

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图 | 将生物技术逐步纳入火星任务设计(来源:研究论文)

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