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        實(shí)驗(yàn)室里“種”淀粉

        2021-10-28 01:07:59吳月輝
        科學(xué)導(dǎo)報(bào) 2021年68期
        關(guān)鍵詞:二氧化碳淀粉天津

        吳月輝

        糧食不需要土地種植,可以在生產(chǎn)車間中制造出來(lái)。如今,這個(gè)看似天方夜譚的想象正在成為可能。

        日前,中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱“天津工業(yè)生物所”)在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展,在國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

        “這也意味著,我們所需要的淀粉,今后可以將二氧化碳作為原料,通過(guò)類似釀造啤酒的過(guò)程,在生產(chǎn)車間中制造出來(lái)。”天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)馬延和說(shuō)。

        ? 將二氧化碳還原生成甲醇,再轉(zhuǎn)化為淀粉

        淀粉是人類糧食的最主要成分,同時(shí)也是重要的工業(yè)原料。目前淀粉主要由農(nóng)作物通過(guò)光合作用,將太陽(yáng)光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成。

        長(zhǎng)期以來(lái),科研人員一直在努力改進(jìn)光合作用這一生命過(guò)程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。

        這次,天津工業(yè)生物所的科研人員就成功創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線。這條路線涉及11步核心生化反應(yīng),淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

        從能量角度看,光合作用的本質(zhì)是將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為淀粉中儲(chǔ)存的化學(xué)能。因此,將光能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并儲(chǔ)存下來(lái)成為關(guān)鍵。

        “我們想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)變方式?!碧旖蚬I(yè)生物所副所長(zhǎng)王欽宏說(shuō):“首先,光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^(guò)光伏電水解產(chǎn)生氫氣;然后,通過(guò)催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇,將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲(chǔ)存的化學(xué)能。這個(gè)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%,遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率?!?/p>

        自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過(guò)程。王欽宏說(shuō):“要想人工實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程,關(guān)鍵是要制造出自然界中原本不存在的酶催化劑。”

        科研人員挖掘和改造了來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62個(gè)生物酶催化劑,最終優(yōu)中選優(yōu),使用10個(gè)酶逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉。這種路徑不僅能合成易消化的支鏈淀粉,還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉。

        ? 在人工合成途徑構(gòu)建上實(shí)現(xiàn)跨越式突破

        專家介紹,淀粉高效人工合成的挑戰(zhàn)主要來(lái)自低密度太陽(yáng)能到高密度電能和氫能,低濃度二氧化碳到高濃度二氧化碳,以及復(fù)雜合成途徑到簡(jiǎn)單合成途徑3個(gè)方面。此前,在眾多科研人員的努力下,前兩個(gè)問(wèn)題已基本得到了解決。

        “這次,我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?!瘪R延和說(shuō)。

        他介紹,一是跨越了人工途徑進(jìn)化的鴻溝??朔瞬煌瑏?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,二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升;二是跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝。團(tuán)隊(duì)用計(jì)算機(jī)可以設(shè)計(jì)出很多條合成途徑,通過(guò)各種模塊的組裝和適配,最終篩選出了符合條件的路徑,實(shí)現(xiàn)了人工淀粉合成。

        “經(jīng)過(guò)分析鑒定,我們合成的淀粉樣品無(wú)論成分還是理化性質(zhì),都和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣?!碧旖蚬I(yè)生物所副研究員蔡韜說(shuō)。

        據(jù)科研團(tuán)隊(duì)介紹,在充足能量供給的條件下,按照目前的技術(shù)參數(shù)推算,理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國(guó)5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

        馬延和說(shuō):“這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能,并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開(kāi)辟了新的技術(shù)路線?!?h3>? 創(chuàng)新科研組織模式,讓不同專長(zhǎng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)

        專家預(yù)計(jì),如果未來(lái)該系統(tǒng)過(guò)程成本能夠降低到可與農(nóng)業(yè)種植相比的經(jīng)濟(jì)可行性,將可能會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源,避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,提高人類糧食安全水平,促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

        重大原創(chuàng)性突破的背后,除了科研團(tuán)隊(duì)多年的努力和堅(jiān)持之外,科研組織模式的創(chuàng)新功不可沒(méi)。

        天津工業(yè)生物所自2015年起,聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用,開(kāi)展需求導(dǎo)向的科技攻關(guān),集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源,加強(qiáng)“學(xué)科—任務(wù)—平臺(tái)”整合,實(shí)現(xiàn)各方科研力量的有機(jī)融合和高效協(xié)同。研究所根據(jù)項(xiàng)目研究需求進(jìn)行人才布局,組建了當(dāng)初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。

        傳統(tǒng)科研模式一般以課題組為單元進(jìn)行,優(yōu)勢(shì)是能夠集中在一個(gè)領(lǐng)域方向,但不是所有的研究項(xiàng)目都適合這樣的模式。

        馬延和說(shuō):“比如,我們這個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)多領(lǐng)域多方向交叉的工作,這就需要將具備不同專長(zhǎng)的人和團(tuán)隊(duì)組織起來(lái),協(xié)同合作才能夠完成,傳統(tǒng)科研模式顯然不太適合?!?/p>

        根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn),研究所創(chuàng)立了新的科研組織模式,即三維管理模式。

        “三維管理模式,具體來(lái)說(shuō)就是所里統(tǒng)一撥付經(jīng)費(fèi),設(shè)立總體研究部、研究組和平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室。”蔡韜說(shuō):“總體研究部負(fù)責(zé)項(xiàng)目矩陣管理;研究組是根據(jù)領(lǐng)域方向和學(xué)科布局設(shè)置的特色學(xué)科組,實(shí)現(xiàn)專業(yè)分工;平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)為項(xiàng)目提供裝備方法支撐。”

        “在這種新模式下,要實(shí)現(xiàn)哪一步目標(biāo)、需要哪些人來(lái)做哪些任務(wù),我們?cè)谡麄€(gè)項(xiàng)目層面都會(huì)事先進(jìn)行具體分析?!辈添w說(shuō)。

        項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,也會(huì)對(duì)承擔(dān)分任務(wù)的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行嚴(yán)格考核。通不過(guò)考核的團(tuán)隊(duì),則由新的團(tuán)隊(duì)替換來(lái)重新完成任務(wù)。

        “整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中,共有十多個(gè)小團(tuán)隊(duì)參與。”蔡韜說(shuō),“不同團(tuán)隊(duì)聚在一起,為一件事、一個(gè)目標(biāo)、一個(gè)任務(wù)共同努力,協(xié)同攻關(guān),最終實(shí)現(xiàn)了原創(chuàng)性重大突破?!?/p>

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