新華社北京9月24日電題：從二氧化碳到淀粉 我國率先突破的這項人工合成技術(shù)有何亮點？

新華社記者董瑞豐、毛振華、王井懷

以二氧化碳為原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成淀粉——中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所一支科研團隊在實驗室里首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關(guān)成果北京時間24日由國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表。

這個突破的“含金量”如何？未來有望通過工廠大規(guī)模“制造”糧食嗎？記者跟進采訪解讀。

“向前推進一大步”的突破

淀粉是糧食最主要的成分，也是一種重要的工業(yè)原料。人工合成淀粉是科技領(lǐng)域一個重大課題，吸引了多國科學(xué)家深入探索，但一直未取得實質(zhì)性重要突破。

論文通訊作者、中科院天津工業(yè)生物所所長馬延和介紹，此次研究中，科研人員用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑。核磁共振等檢測發(fā)現(xiàn)，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結(jié)構(gòu)組成一致。

相比而言，自然界的淀粉合成依賴植物光合作用，涉及約60步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。

論文第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜介紹，實驗室初步測試顯示，人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。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5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。

這一突破得到該領(lǐng)域一批國際知名專家的高度評價。德國科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茲表示，將二氧化碳固定并轉(zhuǎn)化為有用的有機化學(xué)品是一項重大的國際挑戰(zhàn)，本項工作將該領(lǐng)域研究向前推進了一大步。美國工程院院士延斯·尼爾森表示，這是利用合成生物學(xué)解決當(dāng)今社會面臨的若干重大挑戰(zhàn)的驚人案例，將為日后更多相關(guān)研究鋪平道路。

中國工程院院士陳堅表示，這個工作是典型的“0到1”的原創(chuàng)性成果。神戶大學(xué)副校長近藤昭彥表示，這項研究成果將對下一代生物制造和農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來變革性影響。

為“細胞工廠”打開一扇窗

從分子生物學(xué)到合成生物學(xué)，科技進步已經(jīng)讓酶的定向改造日益成熟，并廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)、疫苗開發(fā)、農(nóng)業(yè)病蟲害防治等領(lǐng)域。理論上，大多數(shù)食品和石油化學(xué)品都可以借助合成生物學(xué)技術(shù)制得。

不依賴傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植，人工“制造”糧食——瞄準“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”這一遠景，多國科學(xué)家各顯身手，展開攻關(guān)。

“為未來的‘細胞工廠’打開了一扇窗。”對于此次研究的應(yīng)用前景，蔡韜打了一個比方：人工合成淀粉的新反應(yīng)途徑相當(dāng)于汽車發(fā)動機，酵母細胞相當(dāng)于汽車底盤，下一步要把發(fā)動機放到底盤上安裝好，對酵母細胞進行系統(tǒng)設(shè)計與改造，搭建一個淀粉合成的“細胞工廠”進行規(guī)模化生產(chǎn)。

不過，“細胞工廠”生產(chǎn)糧食的希望實現(xiàn)之前，科學(xué)家還需先攻克多重難關(guān)。

“我們目前對很多生命過程的理解還不到位。”馬延和說，未來搭建“細胞工廠”面臨著人工生命設(shè)計、合成、調(diào)控等諸多基礎(chǔ)科學(xué)挑戰(zhàn)，需要化學(xué)、物理、工程等學(xué)科與生物學(xué)的長期交叉研究。

此外，要讓人工合成淀粉與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，也需要一個艱難、持續(xù)的科技攻關(guān)過程。

中科院副院長周琪表示，這一成果目前尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有很長的距離，后續(xù)需盡快實現(xiàn)從“0到1”概念突破到“1到10”的轉(zhuǎn)換。

針對重大需求開展基礎(chǔ)研究

“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中，合成生物被專門列入科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)的范疇。

據(jù)了解，經(jīng)科技部批準，天津工業(yè)生物所正在牽頭建設(shè)國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心。科研團隊的下一步目標，一方面是繼續(xù)攻克淀粉合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)控等底層科學(xué)難題，另一方面要推動成果走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，未來讓人工合成淀粉的經(jīng)濟可行性接近農(nóng)業(yè)種植。

“這是針對重大應(yīng)用目標實現(xiàn)中的瓶頸科技問題開展基礎(chǔ)研究。”中國科學(xué)院院士趙國屏評價。

在科學(xué)家眼里，人工合成淀粉未來如果進入實際應(yīng)用，不僅能節(jié)約耕地和淡水資源、進一步保障糧食安全，還將帶來諸多想象空間。

中國科學(xué)院院士康樂認為，人工合成淀粉過程中“抓”住的二氧化碳，若能遠多于排放的二氧化碳，就可以進一步挖掘潛力，為碳達峰碳中和做出更大貢獻。

中國工程院院士岳國君舉例說，人工合成淀粉的中間產(chǎn)品，比如葡萄糖，可發(fā)酵生產(chǎn)醇、酸、酮等平臺化合物，廣泛用于生產(chǎn)塑料、纖維和橡膠。

“在社會重大需求中提煉科學(xué)問題，在回答科學(xué)問題中取得重要突破，這就是我們要做的基礎(chǔ)研究。”周琪說。