基本介紹
- 中文名：人工合成澱粉
- 適用領域：科學技術創新
- 研製單位：中國科學院天津工業生物所、大連化物所
- 發布時間：2021年9月24日
科技背景,中國創新,技術突破,社會意義,獲得榮譽,發行紀念郵票,
科技背景
澱粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業原料。澱粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產，澱粉合成與積累涉及60餘步代謝反應以及複雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。農作物的種植通常需要較長周期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農藥等農業生產資料。糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰，糧食澱粉可持續供給、二氧化碳轉化利用是當今世界科技創新的戰略方向。
中國創新
在玉米等農作物中，自然光合作用的澱粉合成與積累涉及60多步生化反應以及複雜的生理調控，理論能量轉化效率為2%左右。通過多年研究攻關，中科院天津工業生物所科研團隊聯合大連化物所，採用一種類似“搭積木”的方式，通過耦合化學催化和生物催化模組體系，實現了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，成功構建出一條從二氧化碳到澱粉合成只有11步反應的人工途徑。
2021年9月24日，中國科學院天津工業生物技術研究所在國際學術期刊《科學》中發表實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。
技術突破
從二氧化碳人工合成澱粉這一顛覆性技術是如何實現的，核心突破究竟在哪兒。
- 亮點1
能量轉化效率提升3.5倍 突破自然光合固碳系統利用太陽能的局限
為了設計超越自然能力的固碳澱粉合成途徑，科研團隊創新地提出將化學與生物催化相耦合的方案，從約7000個生化反應中、構建形成只有11步主反應的固碳澱粉人工合成途徑，將理論能量轉化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成澱粉成為可能。
- 亮點2
從60多步到11步 突破自然界澱粉合成的複雜調控障礙
在計算設計的人工途徑中，生物酶催化劑是成功構建這條途徑的核心關鍵。科研團隊從動物、植物、微生物等31個不同物種來源挖掘合適的生物酶催化劑，構建了一條只有11步反應的人工澱粉合成途徑，與自然界澱粉合成需要的60多個步驟相比，顯著降低了合成的複雜度。
- 亮點3
突破天然澱粉合成時空效率不高的限制
由於缺少自然途徑上億年的進化過程，人工途徑中來源於不同物種的生物酶催化劑間存在難以適配的問題。針對這個問題，研究團隊開發了模組組裝最佳化與時空分離反應策略，解決了人工途徑中底物競爭、產物抑制等問題，最終獲得了澱粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。
社會意義
中國人工合成澱粉是這個領域的一個重大突破，從國際上來說也是第一次（在實驗室）從二氧化碳合成了澱粉的整個的過程，這個過程對生物合成生物製造的領域是一個重大的里程碑式的突破，下一步對農業生產、對工業的生物製造實際上提供了一個新的途徑，具有非常重大的推進意義。
如果未來二氧化碳人工合成澱粉的系統過程成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性，將會節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的負面影響，推動形成可持續的生物基社會，提高人類糧食安全水平。同時，最新研究成果實現於無細胞系統中用二氧化碳和電解產生的氫氣合成澱粉的化學-生物法聯合的人工澱粉合成途徑(ASAP)，為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現的技術路線提供一種新思路。
2021年，中國科學家生成了一種新酶，從頭設計了11步反應的非自然二氧化碳固定與人工合成澱粉新途徑。這個只需要水、二氧化碳和電的“創造”，不依賴光合作用，被譽為“將是影響世界的重大顛覆性技術”。這為農業生產方式的改變提供了可能路徑，更為創建新功能的生物系統奠定了開創性科學基礎。
獲得榮譽
2021年12月，入選2021年度國內十大科技新聞。
2022年2月，人工合成澱粉被納入2021年度中國科學十大進展。
發行紀念郵票
國家郵政局辦公室關於《科技創新（四）》紀念郵票表現內容等事宜的通知：2023年紀特郵票發行計畫中《科技創新（四）》紀念郵票1套5枚的表現內容，其中一枚為人工合成澱粉。郵票發行日期為2023年11月1日。
