2021-09-24 22:44:46| 人氣16| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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人類首次!中國科學家突破二氧化碳人工合成澱粉技術


二氧化碳能合成澱粉嗎?歷時 6 年,中國科學家交出滿意答卷。

這是世界上首次在實驗室實現二氧化碳到澱粉的從頭合成,代表着人類人工合成澱粉領域的重大顛覆性和原創性突破,對於糧食安全、外星探索、氣候變化都有着巨大意義,其重要性堪比 20 世紀 60 年代中國全球首次完成人工合成結晶牛胰島素。

背後團隊來自中科院天津工業生物技術研究所,9 月 24 日,他們首次報告了從二氧化碳合成人造澱粉的路線。

熟悉該團隊的德國國家工程院院士、漢堡工業大學終身教授、生物過程與系統工程研究所所長曾安平告訴 DeepTech:「這是體外生物合成的一個非常漂亮的工作,不僅在科學上有所突破,也是團隊作戰的一個傑作。」

曾安平還表示:「這也說明中科院天津工業生物技術研究所的體制創新取得了成果,讓科學家可以心無旁騖地從事真正有意義的研究,這個工作意義重大,我祝賀他們。」

美國可再生能源國家實驗室資深科學家、課題組長熊偉博士告訴 DeepTech:「這項工作無疑是合成生物學在體外二氧化碳途徑設計方面的新突破。

從某種意義上來講,設計出能與天然途徑相媲美,甚至某些方面更為優越的代謝途徑,是在與地球生物系統億萬年的進化成果進行 PK,無疑彰顯了在大自然面前,人類努力的可敬和可貴。」



(來源:Pixabay)

人類首次從二氧化碳中合成人造澱粉

中科院天津工業生物技術研究所所長、研究員馬延和帶領團隊,該團隊在實驗室中首次不利用細胞(也就是光合作用)實現從二氧化碳到澱粉分子的全合成,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,不依賴植物光合作用,成功生產出澱粉。

他們設計出一種化學酶系統,藉此也設計出一種僅由 11 個核心反應組成的人造澱粉合成代謝路線,將二氧化碳轉化為澱粉。與之對比,自然界利用光合作用合成澱粉需要 60 餘步。

9 月 24 日,相關論文以《無細胞化學酶從二氧化碳合成澱粉》(Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide)為題發表在最新一期的 Science 上,馬延和為該論文的通訊作者。



圖 | 相關論文(來源:Science )

據了解,天津工業生物技術研究所從 2015 年開始專注於人造澱粉生物合成和二氧化碳利用。

該團隊基於 「搭建積木」 的類似方法,使用無機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,再根據化學聚糖反應原理,利用碳一聚合新酶將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,隨後採取生物途徑優化,把碳三化合物聚合成碳六(C6)化合物,最後成功合成出直鏈和支鏈澱粉(Cn)化合物。


研究中,他們通過解決底物競爭、產物抑制和熱力學適應等問題,使用空間和時間隔離系統地優化了這種混合系統,從而實現以人工途徑從二氧化碳中生產澱粉,效率是玉米中澱粉生物合成的 8.5 倍。他們還整合了化學和生物催化模塊,以創新方式利用了高密度能量和高濃度二氧化碳。

這種人工澱粉合成途徑依賴於許多不同生物來源的工程化重組酶,且可以被調整為直鏈澱粉或支鏈澱粉。與其他固定二氧化碳的人工合成系統相比,其速度和效率都非常好。



圖 | 通過計算設計的人工澱粉合成途徑(來源:Science)

他們首先計算出了反應所需的路徑,之後通過組裝和替換由來自 31 個生物體的 62 種酶構成的 11 個模塊,設計開發出多條人工澱粉合成途徑(artificial starch anabolic pathway, ASAP)1.0,其中有 10 個以甲醇為起始的酶促反應,並最終篩選得出符合條件的路徑。

建立 ASAP 1.0 之後,該團隊對這條合成途徑作了進一步優化。在 fls-M3、fbp-AGR 和 agp-M3 三種工程酶的作用下,他們構建出了 ASAP 2.0 。與原本的 ASAP 1.0 相比,ASAP 2.0 將澱粉生產率提高了約 7.6 倍,能在 10 小時內將 20 mM甲醇轉變為 230 mg l-1的直鏈澱粉。

通過時間和空間上進一步分割澱粉的生產步驟,ASAP 3.0 進一步實現了以每毫克催化劑和蛋白質 22 納摩爾二氧化碳每分鐘的速率生產澱粉,比玉米中的澱粉合成速率高約 8.5 倍。

目前,澱粉主要由玉米等作物通過光合作用固定二氧化碳而產生。作為一種高分子碳水化合物,澱粉的合成與積累過程相當複雜,其中包括超過 60 步的代謝反應以及精密的生理調控。



此前一直未出現實質性的突破成果

無需進行光合作用將二氧化碳轉化為澱粉既是一項創新型科技成果,而且當屬全球性的重大顛覆性技術。此前,多國科學家對該技術進行積極研究,但一直未出現實質性的突破成果。

據了解,人工合成澱粉技術的關鍵瓶頸有三個方面。第一,如何從低密度太陽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,如何將複雜合成途徑到變為簡單合成途徑。在眾多科學家的共同攻關下,前兩個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建方面實現了跨越式突破。一方面,該研究跨越了人工途徑進化的鴻溝,克服了不同來源、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學與動力學不匹配等瓶頸,使得二氧化碳到澱粉的碳轉化速率和效率顯著提升;

另一方面,該研究跨越了從虛擬到現實的鴻溝,通過計算機設計並篩選得出了符合條件的路徑,以實現人工澱粉合成。



圖 | 從 C1 到 Cn 模塊逐步構建人工合成澱粉途徑的過程(來源:Science)

現如今,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,科技創新已成為重塑世界格局、創造人類美好未來的關鍵因素。而二氧化碳的轉化利用與澱粉類糧食的工業合成,正是應對這些挑戰的重大科技成果之一。

未來,此次二氧化碳人工合成澱粉技術的突破,有望使澱粉生產模式發生轉變,或將從傳統農業種植變為工業車間生產,同時為二氧化碳轉化為多種其他可利用的複雜分子帶來全新技術思路。

目前,該技術還未完全成熟,正處於實驗室階段,距落地應用還有相當長的路要走,之後應持續投入,以實現從 「0 到 1」 到 「1 到 10」,乃至「10 到 100」 的突破,切實為解決人類發展的重大問題貢獻力量。

馬延和告訴媒體,該研究為二氧化碳到澱粉的工業車間生產開闢了新局面。未來,當該系統的生產成本達到可與農業種植不相上下時,不僅能夠節約超過 90% 的耕地和淡水資源,還可以降低農業生產過程中對環境所造成的污染,在推動糧食與食品安全的同時,助力碳中和發展,帶領社會走向可持續發展的道路。

熊偉告訴 DeepTech,近年來,隨着合成生物學的突飛猛進, 科學界開始嘗試設計和構建全新的人工代謝途徑提高二氧化碳的固定效率。

體外代謝途徑的構建由於不必依賴於宿主細胞自生的新陳代謝,容易實現代謝途徑的精確控制和優化,可以和其他化學工藝(例如電化學過程等)相互嵌合,等優點逐漸得到了學界的青睞。比如,Schwander et al. 於 2016 年首次報道了一條體外二氧化碳固定途徑的構建,使用了來自於 9 個物種的 17 種酶催化。

熊偉還表示:「澱粉是人類飲食中最常見的碳水化合物,廣泛存在於馬鈴薯、小麥、玉米、大米、木薯等主食中。

自然界主要通過光合作用, 固定二氧化碳生產澱粉。該過程依賴於卡爾文循環, 由美國生物化學家梅爾文·卡爾文(Melvin Calvin)及其同事在 50 年代中後期發現並命名。即植物的葉綠體如何通過光合作用把二氧化碳轉化為機體內的碳水化合物的循環過程。

卡爾文也因此獲得了 1961 年諾貝爾化學獎。天然的卡爾文循環生產澱粉的效率受限於關鍵酶反應的動力學。目前,學術界普遍認為 1,5 二磷酸核酮糖羧化酶(RuBisCO)是卡爾文循環的限速步驟。幾十年來, 科學家試圖通過改進 RuBisCO 的動力學性質來提高二氧化碳的固定效率,但沒有獲得革命性的進展。」

斯坦福大學材料科學系研究員唐靜告訴 DeepTech:「自然光合生物通過自然進化已經適應了利用低密度太陽能和空氣低濃度二氧化碳進行光合作用的固碳模式。突破自然生物固碳模式,創建高密度能量固定高濃度二氧化碳的新型工業化固碳模式,既是重大科學挑戰,又具有重要應用價值。

本研究通過解析自然界二氧化碳的還原、縮合、延伸原理,創建了高密度電/氫等能量固碳並生物轉化合成澱粉的核心關鍵技術,以此為基礎建立以二氧化碳為原料的生物製造工業路線,實現化工、材料、能源、大宗食品原料等規模化製備,對提升我國生物製造核心競爭力,促進我國雙碳目標的實現具有重要意義。」



圖 | ASAP(來源:Science)

唐靜認為:「這一重大突破將該領域研究向前推進了一大步,將對下一代生物製造和農業發展產生深遠影響,該研究成果將為未來通過工業生物製造生產澱粉提供新的技術路線和思路。」

上海交通大學特別研究員、長聘教軌副教授倪俊告訴 DeepTech,碳回收是合成生物學的終極目標,而利用有機碳源的生產方式其實本質上都是對資源的消耗。馬延和教授團隊勇闖科研的無人區,成功開發了從二氧化碳直接合成澱粉的全新路徑,這體現了天津工業生物技術研究所深厚的研發能力,也展現了合成生物學多學科交叉融合的「魔力」。

這項基礎研究領域的重大突破對於糧食安全、碳中和以及生物製造等多方面都將產生積極而深遠的影響。(DeepTech深科技)

台長: 聖天使

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