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大家都知道，淀粉是高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖。我们生活中曾经离不开淀粉，它是食品制造中常用的原料，也是重要的工业原料。它的来源主要是来自于农业，许多植物将葡萄糖从光协作用转化为聚合物，构成不溶性淀粉颗粒，是根和种子中长期贮存能量的理想选择。 但是你听说过应用CO2为原料，用人工合成淀粉吗？
中国科学院天津工业生物技术研讨所所长马延和团队在Science上发表了推翻性成果，在全球范围内初次完成了二氧化碳到淀粉的从头合成，是基础研讨范畴的严重突破。 作者讲演了在无细胞系统中从二氧化碳和氢气合成淀粉的化学-生化混合途径。人工淀粉合成代谢途径（ASAP）由11种中心反响组成，经过计算途径设计起草，经过模块化组装和取代树立，并经过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行优化。其中二氧化碳经过无机催化剂恢复为甲醇，然后由酶首先转化为三和六个碳糖单位，然后转化为聚合物淀粉。在一个具有时空隔离的化学酶系统中，在氢气的驱动下，ASAP以每毫克催化剂每分钟耗费22 nmol的CO2来合成淀粉，比玉米中的淀粉合成速度高出约8.5倍。 这种人造淀粉合成代谢途径依赖于来自许多不同来源生物的工程重组酶，能够调谐以与其他合成碳固定系统相比的优秀速度和效率生产淀粉或淀粉酶，以至取决于运用的指标，以至能够用于田间作物，这种措施为未来从二氧化碳合成淀粉开辟了道路。 图文详情
图1. 工淀粉合成途径的设计和模块组装
图2. 处置人工淀粉合成代谢途径（ASAP）主要瓶颈
图3. 应用CO2经ASAP合成淀粉 以下是科技日报记者独家对所长马延和与论文第一作者副研讨员蔡韬的专访 科技日报记者：自然光协作用合成淀粉的过程十分复杂，人工合成淀粉难度更高。当初，为什么会选择“从二氧化碳到淀粉的人工合成”这个项目进行科技攻关？ 马延和：粮食保险是国度保险的重要基础，我国不时积极推进农业生物技术进步，从遗传杂交育种到分子设计育种，我们不时在追逐着国际科技前沿。 有没有可能“换道超车”？其实这个想法由来已久，即便是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、以至饲料，也是对缓解农业压力的庞大贡献。 合成生物学被以为是影响未来的推翻性技术。模仿自然作物光协作用，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，潜藏着惊人的改造前景。的确，这条道路存在很多的不肯定性，科学问题复杂、技术道路不清、瓶颈问题难测；但是，科学研讨就需求大胆的理论、勇闯无人区。 我们科技工作者要有激烈的国度任务感，面向国度严重战略需求，在科技工作中作出严重创新贡献是我们的义务担当。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”的工业途径是事关久远和全局的科技战略制高点，是国之重器。 科技日报记者：人工从二氧化碳合成淀粉这项研讨是各国科学家都在展开吗？能否引见一下这个范畴的竞争态势？ 蔡韬：解脱植物进行二氧化碳固定是科学家多年来的幻想，二氧化碳人工生物转化方面是国际上研讨的热点和难点，只需取得一定的突破，都是重磅的成果。 过去几年，仅在《细胞》《自然》《科学》上发表的相关论文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光协作用等研讨方向。2018年，美国国度航空航天局（NASA）更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年应战计划，但是目前淀粉的从头人工合成还没有完成突破。我们在国际上初次报道了二氧化碳到淀粉的全合成，这种人工合成淀粉的方式展示了超越自然淀粉合成方式的极大潜力，置信会有更多的科学家投身到这一极具应战性且具有严重战略意义的范畴。 曾狐疑过设计道路 但从未想过放弃 科技日报记者：第一次胜利合成淀粉是什么时分？初次看到“淀粉蓝”，您有什么感受？后续又做了哪些工作？ 蔡韬：第一次胜利合成淀粉是在2018年7月24日。记得当时是在参与项目的进展研讨会，看到“淀粉蓝”的照片的时分，心情十分激动！当时就马上和工作人员肯定了合成的细致条件，扫除假阳性呈现的可能性，然后就是布置不同的人员重复合成淀粉的工作。 在肯定完成碳一化合物到淀粉的人工合成后，其实也能够投稿发文章了，但是我们还是愈加看重适用性，就着手进步人工淀粉的合效果率，在后续的两年多的时间里将合效果率进步100多倍。人工合成淀粉固然往常离实践应用还有很大差距，但展示了未来产业化应用的潜力。 科技日报记者：在“从二氧化碳到淀粉的人工合成”项目研讨过程中，您取得了哪些严重突破？ 蔡韬：植物合成淀粉的机制十分复杂，但从化学实质上来看，还是恢复、缩合、重排、聚合的过程。 我们从重新设计自然代谢途径开端，首先处置了途径计算设计中普遍存在的不适配难题，逾越了从虚拟到理想的鸿沟，将自然淀粉复杂的合成过程简约至只需11步主要反响； 其次，突破了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间难以匹配的瓶颈，逾越了自然迟缓进化的鸿沟，超越了生物代谢途径亿万年的进化效果，淀粉合成速率是玉米的8.5倍； 最后，“从二氧化碳到淀粉的人工合成”抑止了化学和生物协同催化的障碍，完成应用高密度的电氢能合成淀粉分子，逾越了生化反响能量传送的鸿沟，理论能量转化效率是玉米的3.5倍。 科技日报记者：在项目研讨过程中，请问您遇到的最大难题是什么？当时有没有想过放弃？ 蔡韬：在研讨过程中，我们遇到的最大的难题就是如何让不同来源的酶元件依照设计的途径在一同有效工作，我们为此测试了不同来源的酶元件，设计、改造了多个酶基因，做了上百种不同的组合测试。 特别是在构建淀粉人工合成途径1.0时，我们用了近三年的时间才完成碳一化合物到淀粉的人工合成，在这之前，历来没有研讨证明设计人工途径合成淀粉是可行的，在胜利之前，我们最常问自己的问题就是这条路真的可行吗？ 当1.0版本构建胜利后，我们十分有自信人工合成淀粉是可行的。但是，在项目进行了两年半的时分，我们曾经狐疑过这条设计的道路，但历来没有想过放弃人工合成淀粉的工作。 发扬科学家精神 创新科研管理方式 科技日报记者：在项目实施过程中，为了使科研人员甘坐冷板凳、潜心科技攻关，请问研讨所在科技管理方式上进行了哪些创新？ 马延和：淀粉的车间制造是我们提出以生物技术推进“农业工业化”的一个标记。6年前项目开端设计时，谁也没有掌握，我们也做好了长期斗争的准备，中国科学院、天津市的项目支持给了我们预研的机遇，可是在人才竞争、大家要“长大”的环境下，组织团队潜心研讨、不问前程的确很难。 研讨所积极探求科研管理方式创新，成立了项目制的总体研讨部，项目组实行预算制，资源由研讨所保障，不用申请竞争性经费，具有科技问题合成与组织的权益，自主协同各个学科研讨组的力气。对项目组的考核，简单、客观、宽松，不计较论文产出，不计较一时胜败，团队成员的绩效薪酬普通高于同等科技人员。 特别是，我们不时在发扬科学家精神，培育家国情怀，所领导带头做恬淡名利、无私贡献的榜样，将“官兵分歧同甘苦、反动理想高于天”的长征精神明白为研讨所的文化，逐步凝聚了一批有家国情怀、勇于创新、甘于坐冷板凳的优秀青年科学家宁心静气、以十年磨一剑的精神潜心攻关。 科技日报记者：这项研讨工作被以为是基础研讨范畴“从0到1”的原创性突破，请问在您看来，这项研讨将产生怎样的影响？有什么意义？ 马延和：这项研讨不是自由探求的基础研讨，而是需求导向、问题导向、目的导向的基础研讨，展开多学科交叉研讨，是生命科学研讨的新范式。此次研讨设计、组装出一种自然界不存在的淀粉合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，处置了生物功用从虚拟到理想、人工途径生物进化、生化反响能量传送等科学难题，表示了学习自然、模仿自然、超越自然的理念，具有重要的科学意义和应用价值。 合成生物技术耦合化学催化技术，树立了高能量密度、高二氧化碳浓度生物转化的新技术道路，固然从实验室到工业化应用还面临众多的科技应战，但孕育了庞大的产业改造新机。关于把二氧化碳资源化转变为食品、资料、化学品等绿色低碳产业延展将产生严重影响，树立了一个创新赛道的新起点。未来二氧化碳到淀粉的人工合成技术假如具有经济可行性，工业车间制造淀粉将会完成，与农业种植相比，能够俭省超越90%的土地和淡水资源，并且消弭化肥和农药对环境的负面影响，必将带来一场新的产业改造，关于保障粮食保险、促进社会经济可持续、高质量延展具有严重战略性意义。 通讯作者简介
马延和，1983年8月参与工作，在职研讨生学历，工学博士，研讨员。现任天津市第十七届人大常委会副主任，农工党中央常委、天津市委会主委、滨海新区区委会主委，中国科学院天津工业生物技术研讨所所长。 研讨方向：极端微生物的认识与应用，主要包含极端环境的微生物区系生态与生物多样性、极端微生物生理机制与功用多样性、极端微生物特殊功用与产物的开发和应用。目前的重点是延展采样、分别、培育、分子操作等新的措施技术，进行极端环境的物种与基因剖析；剖析极端微生物嗜极特性及其分子基础，展开极端微生物的分子生理学研讨；开发极端酶等新产物，讨论其在寡糖生产、生物催化等方面的应用处径。 文献信息 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis fromcarbon dioxide. Cai et al., Science 373, 1523–1527 (2021) https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abh4049
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