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实验室里合成的淀粉 （资料图片） |
□克莉斯汀 9月24日发表于国际顶尖杂志《科学》上的一篇论文称，中国科学院的科学家首次在实验室里实现了人工合成淀粉。中国科学院天津工业生物技术研究所的研究人员只是用一种我们身边很常见的气体二氧化碳，在不依赖植物光合作用的前提下，直接人工合成出了淀粉。 这种模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统，不依赖植物种植进行淀粉制造的全新尝试，潜藏着惊人的变革前景。 简化过程，优化结果 淀粉是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分，它是一种高分子碳水化合物，也是重要的工业原料。目前，人类主要通过农业种植来获得这种多碳化合物。自然界中，玉米等农作物中淀粉的合成与积累是个复杂的过程。 科学家们关于人工合成淀粉的想法由来已久——如果能用它替代一部分粮食淀粉，不管是作为工业原料还是饲料，那也是对缓解农业压力的巨大贡献。 但人工合成淀粉的路，怎样才能走得又快又好？研究人员表示，就是要简化转化过程，优化转化成果。 这次将二氧化碳为原料人工合成淀粉的成功尝试，就是一个从C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的转化过程。研究人员充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势，设计了一条全新路径，重新构建了从二氧化碳转化成淀粉的途径，让原本需要60多个步骤的自然转化过程，简化为只有11步反应的人工途径——其中仍是有以光合作用原理基础的代谢反应以及复杂的生理调控过程。然后他们再进行模块优化组合，最终在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后，实现了人工淀粉的实验室合成。 该途径也包含了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂。但因为科研人员采用蛋白质工程改造手段，令整个转化途径中的生物酶催化剂的用量减少了近一半（44%），淀粉的产率却提高了13倍。 这就像是一场魔术，但它却真实发生了。 批量生产成可能 可以说，该人工系统就是将植物淀粉合成的复杂过程充分简化。以玉米这种植物为例来对比，这种人工合成淀粉的合成速率达到了玉米淀粉合成速率的8.5倍。也就是说，按照目前的这个技术参数，1立方米大小的生物反应器，年产淀粉量将相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量。 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。 工业车间制造淀粉这一模式一旦成功，与农业种植相比，将有机会节省超过90%的土地和淡水资源，而且可以消除化肥和农药对环境的负面影响。这对提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展都具有十分重大的意义，对未来的农业生产特别是粮食生产将具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。 不过，目前来看，这一研究虽然取得了突破性进展，真正要实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉，依然任重而道远。但未来可期。
