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二氧化碳“摇身一变”成淀粉 天津工业生物所探索淀粉人工合成技术取得新突破

编辑:于赛蛟 来源:津滨海 时间:2021-09-24 点击量:

    津滨海讯(记者 牛婧文 张惺卓)9月24日,记者从中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)了解到,天津工业生物所在人工合成淀粉方面取得重大突破性进展,首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,相关工作于同日发表于国际学术期刊《科学》。

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    据了解,淀粉是粮食最主要的成分,同时也是重要的工业原料。根据天津工业生物所提供的相关数据,目前,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,淀粉合成与积累涉及约60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。农作物的种植通常周期较长,需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。因此,如何设计出不依赖植物光合作用的人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉?成为相关领域的世界性课题。

    针对这项课题,天津工业生物所坚持自主创新,从头设计了11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径,在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式,联合中国科学院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,并通过一系列生物途径优化手段,最终合成出直链和支链淀粉(Cn化合物)。据悉,这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。按照目前技术参数,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

    据介绍,该成果得到国内外领域专家的高度评价,认为该工作是“典型的0到1原创性突破”“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”

   “在天津工业生物所开放、集成的新型科研组织模式下,团队成员为做一件事、一个目标、一个任务,深耕六个春秋。”天津工业生物所相关负责人表示,天津工业生物所自2015年起,聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用,开展需求导向的科技攻关,集聚所内外创新资源,加强“学科-任务-平台”整合,实现了各方科研力量的有机融合和高效协同。同时,研究所根据项目研究需求积极进行人才布局,组建了当初平均年龄30周岁的青年科学家团队,充分发挥各成员学科优势与技术特色,实行“项目制”管理机制,集中力量攻克难题,成效显著。目前,该项研究工作已获得中国科学院重点部署项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目的资助和支持,是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向。


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