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二氧化碳能合成淀粉嗎?歷時(shí) 6 年，中國科學(xué)家交出滿意答卷。

這是世界上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成，代表著人類人工合成淀粉領(lǐng)域的重大顛覆性和原創(chuàng)性突破，對(duì)于糧食安全、外星探索、氣候變化都有著巨大意義，其重要性堪比 20 世紀(jì) 60 年代中國全球首次完成人工合成結(jié)晶牛胰島素。

背后團(tuán)隊(duì)來自中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，9 月 24 日，他們首次報(bào)告了從二氧化碳合成人造淀粉的路線。

熟悉該團(tuán)隊(duì)的德國國家工程院院士、漢堡工業(yè)大學(xué)終身教授、生物過程與系統(tǒng)工程研究所所長曾安平告訴 DeepTech：“這是體外生物合成的一個(gè)非常漂亮的工作，不僅在科學(xué)上有所突破，也是團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)的一個(gè)杰作?！?/p>

曾安平還表示：“這也說明中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的體制創(chuàng)新取得了成果，讓科學(xué)家可以心無旁騖地從事真正有意義的研究，這個(gè)工作意義重大，我祝賀他們?！?/p>

美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家、課題組長熊偉博士告訴 DeepTech：“這項(xiàng)工作無疑是合成生物學(xué)在體外二氧化碳途徑設(shè)計(jì)方面的新突破。從某種意義上來講，設(shè)計(jì)出能與天然途徑相媲美，甚至某些方面更為優(yōu)越的代謝途徑，是在與地球生物系統(tǒng)億萬年的進(jìn)化成果進(jìn)行 PK，無疑彰顯了在大自然面前，人類努力的可敬和可貴?！?/p>

(來源：Pixabay)

人類首次從二氧化碳中合成人造淀粉

中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長、研究員馬延和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中首次不利用細(xì)胞(也就是光合作用)實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成，以二氧化碳、電解產(chǎn)生的氫氣為原料，不依賴植物光合作用，成功生產(chǎn)出淀粉。

他們設(shè)計(jì)出一種化學(xué)酶系統(tǒng)，借此也設(shè)計(jì)出一種僅由 11 個(gè)核心反應(yīng)組成的人造淀粉合成代謝路線，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉。與之對(duì)比，自然界利用光合作用合成淀粉需要 60 余步。

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

圖 | 相關(guān)論文(來源：Science )

據(jù)了解，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所從 2015 年開始專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” 的類似方法，使用無機(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，他們通過解決底物競爭、產(chǎn)物抑制和熱力學(xué)適應(yīng)等問題，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。

這種人工淀粉合成途徑依賴于許多不同生物來源的工程化重組酶，且可以被調(diào)整為直鏈淀粉或支鏈淀粉。與其他固定二氧化碳的人工合成系統(tǒng)相比，其速度和效率都非常好。

圖 | 通過計(jì)算設(shè)計(jì)的人工淀粉合成途徑(來源：Science)

他們首先計(jì)算出了反應(yīng)所需的路徑，之后通過組裝和替換由來自 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。

目前，淀粉主要由玉米等作物通過光合作用固定二氧化碳而產(chǎn)生。作為一種高分子碳水化合物，淀粉的合成與積累過程相當(dāng)復(fù)雜，其中包括超過 60 步的代謝反應(yīng)以及精密的生理調(diào)控。

此前一直未出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的突破成果

無需進(jìn)行光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉既是一項(xiàng)創(chuàng)新型科技成果，而且當(dāng)屬全球性的重大顛覆性技術(shù)。此前，多國科學(xué)家對(duì)該技術(shù)進(jìn)行積極研究，但一直未出現(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)楹唵魏铣赏緩?。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;

另一方面，該研究跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝，通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)并篩選得出了符合條件的路徑，以實(shí)現(xiàn)人工淀粉合成。

圖 | 從 C1 到 Cn 模塊逐步構(gòu)建人工合成淀粉途徑的過程(來源：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)造人類美好未來的關(guān)鍵因素。而二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與淀粉類糧食的工業(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，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)為解決人類發(fā)展的重大問題貢獻(xiàn)力量。

馬延和告訴媒體，該研究為二氧化碳到淀粉的工業(yè)車間生產(chǎn)開辟了新局面。未來，當(dāng)該系統(tǒng)的生產(chǎn)成本達(dá)到可與農(nóng)業(yè)種植不相上下時(shí)，不僅能夠節(jié)約超過 90% 的耕地和淡水資源，還可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境所造成的污染，在推動(dòng)糧食與食品安全的同時(shí)，助力碳中和發(fā)展，帶領(lǐng)社會(huì)走向可持續(xù)發(fā)展的道路。

熊偉告訴 DeepTech，近年來，隨著合成生物學(xué)的突飛猛進(jìn)， 科學(xué)界開始嘗試設(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。

體外代謝途徑的構(gòu)建由于不必依賴于宿主細(xì)胞自生的新陳代謝，容易實(shí)現(xiàn)代謝途徑的精確控制和優(yōu)化，可以和其他化學(xué)工藝(例如電化學(xué)過程等)相互嵌合，等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到了學(xué)界的青睞。比如，Schwander et al. 于 2016 年首次報(bào)道了一條體外二氧化碳固定途徑的構(gòu)建，使用了來自于 9 個(gè)物種的 17 種酶催化。

熊偉還表示：“淀粉是人類飲食中最常見的碳水化合物，廣泛存在于馬鈴薯、小麥、玉米、大米、木薯等主食中。自然界主要通過光合作用， 固定二氧化碳生產(chǎn)淀粉。該過程依賴于卡爾文循環(huán)， 由美國生物化學(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， 科學(xué)家試圖通過改進(jìn) RuBisCO 的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)來提高二氧化碳的固定效率，但沒有獲得革命性的進(jìn)展?！?/p>

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)系研究員唐靜告訴 DeepTech：“自然光合生物通過自然進(jìn)化已經(jīng)適應(yīng)了利用低密度太陽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，實(shí)現(xiàn)化工、材料、能源、大宗食品原料等規(guī)?；苽?，對(duì)提升我國生物制造核心競爭力，促進(jìn)我國雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義?！?/p>

圖 | ASAP(來源：Science)

唐靜認(rèn)為：“這一重大突破將該領(lǐng)域研究向前推進(jìn)了一大步，將對(duì)下一代生物制造和農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，該研究成果將為未來通過工業(yè)生物制造生產(chǎn)淀粉提供新的技術(shù)路線和思路。”

上海交通大學(xué)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(xué)的終極目標(biāo)，而利用有機(jī)碳源的生產(chǎn)方式其實(shí)本質(zhì)上都是對(duì)資源的消耗。馬延和教授團(tuán)隊(duì)勇闖科研的無人區(qū)，成功開發(fā)了從二氧化碳直接合成淀粉的全新路徑，這體現(xiàn)了天津工業(yè)生物技術(shù)研究所深厚的研發(fā)能力，也展現(xiàn)了合成生物學(xué)多學(xué)科交叉融合的“魔力”。這項(xiàng)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大突破對(duì)于糧食安全、碳中和以及生物制造等多方面都將產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

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專業(yè)審校：靖海、歐陽鵬飛、蔡愷