 人類(lèi)首次從二氧化碳中合成人造淀粉  圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science ） 據(jù)了解，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所從 2015 年開(kāi)始專(zhuān)注于人造淀粉生物合成和二氧化碳利用。 該團(tuán)隊(duì)基于 “搭建積木” 的類(lèi)似方法，使用無(wú)機(jī)催化劑將高密度氫能作用下的二氧化碳還原成碳一（C1）化合物甲醇，再根據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理，利用碳一聚合新酶將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，隨后采取生物途徑優(yōu)化，把碳三化合物聚合成碳六（C6）化合物，最后成功合成出直鏈和支鏈淀粉（Cn）化合物。 研究中，他們通過(guò)解決底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制和熱力學(xué)適應(yīng)等問(wèn)題，使用空間和時(shí)間隔離系統(tǒng)地優(yōu)化了這種混合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)以人工途徑從二氧化碳中生產(chǎn)淀粉，效率是玉米中淀粉生物合成的 8.5 倍。他們還整合了化學(xué)和生物催化模塊，以創(chuàng)新方式利用了高密度能量和高濃度二氧化碳。  圖 | 通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)的人工淀粉合成途徑（來(lái)源：Science）他們首先計(jì)算出了反應(yīng)所需的路徑，之后通過(guò)組裝和替換由來(lái)自 31 個(gè)生物體的 62 種酶構(gòu)成的 11 個(gè)模塊，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出多條人工淀粉合成途徑（artificial starch anabolic pathway, ASAP）1.0，其中有 10 個(gè)以甲醇為起始的酶促反應(yīng)，并最終篩選得出符合條件的路徑。 建立 ASAP 1.0 之后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這條合成途徑作了進(jìn)一步優(yōu)化。在 fls-M3、fbp-AGR 和 agp-M3 三種工程酶的作用下，他們構(gòu)建出了 ASAP 2.0 。與原本的 ASAP 1.0 相比，ASAP 2.0 將淀粉生產(chǎn)率提高了約 7.6 倍，能在 10 小時(shí)內(nèi)將 20 mM甲醇轉(zhuǎn)變?yōu)?230 mg l-1的直鏈淀粉。 通過(guò)時(shí)間和空間上進(jìn)一步分割淀粉的生產(chǎn)步驟，ASAP 3.0 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了以每毫克催化劑和蛋白質(zhì) 22 納摩爾二氧化碳每分鐘的速率生產(chǎn)淀粉，比玉米中的淀粉合成速率高約 8.5 倍。  此前一直未出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的突破成果據(jù)了解，人工合成淀粉技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸有三個(gè)方面。第一，如何從低密度太陽(yáng)能到高密度電能和氫能；第二，如何使二氧化碳從低濃度到高濃度；第三，如何將復(fù)雜合成途徑到變?yōu)楹?jiǎn)單合成途徑。在眾多科學(xué)家的共同攻關(guān)下，前兩個(gè)方面已基本得到了解決。 馬延和告訴媒體，此次研究中，他們主要在人工合成途徑構(gòu)建方面實(shí)現(xiàn)了跨越式突破。一方面，該研究跨越了人工途徑進(jìn)化的鴻溝，克服了不同來(lái)源、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)不匹配等瓶頸，使得二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升；  圖 | 從 C1 到 Cn 模塊逐步構(gòu)建人工合成淀粉途徑的過(guò)程（來(lái)源：Science）現(xiàn)如今，全球面臨氣候變化、糧食與食品安全和能源資源短缺等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑世界格局、創(chuàng)造人類(lèi)美好未來(lái)的關(guān)鍵因素。而二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與淀粉類(lèi)糧食的工業(yè)合成，正是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的重大科技成果之一。 未來(lái)，此次二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)的突破，有望使淀粉生產(chǎn)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，或?qū)膫鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)種植變?yōu)楣I(yè)車(chē)間生產(chǎn)，同時(shí)為二氧化碳轉(zhuǎn)化為多種其他可利用的復(fù)雜分子帶來(lái)全新技術(shù)思路。 目前，該技術(shù)還未完全成熟，正處于實(shí)驗(yàn)室階段，距落地應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，之后應(yīng)持續(xù)投入，以實(shí)現(xiàn)從 “0 到 1” 到 “1 到 10”，乃至“10 到 100” 的突破，切實(shí)為解決人類(lèi)發(fā)展的重大問(wèn)題貢獻(xiàn)力量。 熊偉告訴 DeepTech，近年來(lái)，隨著合成生物學(xué)的突飛猛進(jìn)， 科學(xué)界開(kāi)始嘗試設(shè)計(jì)和構(gòu)建全新的人工代謝途徑提高二氧化碳的固定效率。 熊偉還表示：“淀粉是人類(lèi)飲食中最常見(jiàn)的碳水化合物，廣泛存在于馬鈴薯、小麥、玉米、大米、木薯等主食中。自然界主要通過(guò)光合作用， 固定二氧化碳生產(chǎn)淀粉。該過(guò)程依賴(lài)于卡爾文循環(huán)， 由美國(guó)生物化學(xué)家梅爾文·卡爾文（Melvin Calvin）及其同事在 50 年代中后期發(fā)現(xiàn)并命名。即植物的葉綠體如何通過(guò)光合作用把二氧化碳轉(zhuǎn)化為機(jī)體內(nèi)的碳水化合物的循環(huán)過(guò)程?？栁囊惨虼双@得了 1961 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。天然的卡爾文循環(huán)生產(chǎn)淀粉的效率受限于關(guān)鍵酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。目前，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為 1,5 二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）是卡爾文循環(huán)的限速步驟。幾十年來(lái)， 科學(xué)家試圖通過(guò)改進(jìn) RuBisCO 的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)來(lái)提高二氧化碳的固定效率，但沒(méi)有獲得革命性的進(jìn)展?！?br> 斯坦福大學(xué)材料科學(xué)系研究員唐靜告訴 DeepTech：“自然光合生物通過(guò)自然進(jìn)化已經(jīng)適應(yīng)了利用低密度太陽(yáng)能和空氣低濃度二氧化碳進(jìn)行光合作用的固碳模式。突破自然生物固碳模式，創(chuàng)建高密度能量固定高濃度二氧化碳的新型工業(yè)化固碳模式，既是重大科學(xué)挑戰(zhàn)，又具有重要應(yīng)用價(jià)值。本研究通過(guò)解析自然界二氧化碳的還原、縮合、延伸原理，創(chuàng)建了高密度電/氫等能量固碳并生物轉(zhuǎn)化合成淀粉的核心關(guān)鍵技術(shù)，以此為基礎(chǔ)建立以二氧化碳為原料的生物制造工業(yè)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)化工、材料、能源、大宗食品原料等規(guī)?；苽?，對(duì)提升我國(guó)生物制造核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。”  |
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