人类首次!中国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术,为淀粉工业制造和二氧化碳利用打开一扇窗

发表时间:2021.09.24 18:31

来源:DeepTech深科技

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二氧化碳能合成淀粉吗?历时 6 年,中国科学家交出满意答卷。


这是世界上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成,代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破,对于粮食安全、外星探索、气候变化都有着巨大意义,其重要性堪比 20 世纪 60 年代中国全球首次完成人工合成结晶牛胰岛素。


背后团队来自中科院天津工业生物技术研究所,9 月 24 日,他们首次报告了从二氧化碳合成人造淀粉的路线。


熟悉该团队的德国国家工程院院士、汉堡工业大学终身教授、生物过程与系统工程研究所所长曾安平告诉 DeepTech:“这是体外生物合成的一个非常漂亮的工作,不仅在科学上有所突破,也是团队作战的一个杰作。

 

曾安平还表示:“这也说明中科院天津工业生物技术研究所的体制创新取得了成果,让科学家可以心无旁骛地从事真正有意义的研究,这个工作意义重大,我祝贺他们。”


美国可再生能源国家实验室资深科学家、课题组长熊伟博士告诉 DeepTech:“这项工作无疑是合成生物学在体外二氧化碳途径设计方面的新突破。从某种意义上来讲,设计出能与天然途径相媲美,甚至某些方面更为优越的代谢途径,是在与地球生物系统亿万年的进化成果进行 PK,无疑彰显了在大自然面前,人类努力的可敬和可贵。



(来源:Pixabay)


人类首次从二氧化碳中合成人造淀粉


中科院天津工业生物技术研究所所长、研究员马延和带领团队,该团队在实验室中首次不利用细胞(也就是光合作用)实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成,以二氧化碳、电解产生的氢气为原料,不依赖植物光合作用,成功生产出淀粉。


他们设计出一种化学酶系统,借此也设计出一种仅由 11 个核心反应组成的人造淀粉合成代谢路线,将二氧化碳转化为淀粉。与之对比,自然界利用光合作用合成淀粉需要 60 余步。


9 月 24 日,相关论文以《无细胞化学酶从二氧化碳合成淀粉》(Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide)为题发表在最新一期的 Science 上,马延和为该论文的通讯作者。



图 | 相关论文(来源:Science )


据了解,天津工业生物技术研究所从 2015 年开始专注于人造淀粉生物合成和二氧化碳利用。


该团队基于 “搭建积木” 的类似方法,使用无机催化剂将高密度氢能作用下的二氧化碳还原成碳一(C1)化合物甲醇,再根据化学聚糖反应原理,利用碳一聚合新酶将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,随后采取生物途径优化,把碳三化合物聚合成碳六(C6)化合物,最后成功合成出直链和支链淀粉(Cn)化合物。


研究中,他们通过解决底物竞争、产物抑制和热力学适应等问题,使用空间和时间隔离系统地优化了这种混合系统,从而实现以人工途径从二氧化碳中生产淀粉,效率是玉米中淀粉生物合成的 8.5 倍。他们还整合了化学和生物催化模块,以创新方式利用了高密度能量和高浓度二氧化碳。


这种人工淀粉合成途径依赖于许多不同生物来源的工程化重组酶,且可以被调整为直链淀粉或支链淀粉。与其他固定二氧化碳的人工合成系统相比,其速度和效率都非常好。



图 | 通过计算设计的人工淀粉合成途径(来源:Science)


他们首先计算出了反应所需的路径,之后通过组装和替换由来自 31 个生物体的 62 种酶构成的 11 个模块,设计开发出多条人工淀粉合成途径(artificial starch anabolic pathway, ASAP)1.0,其中有 10 个以甲醇为起始的酶促反应,并最终筛选得出符合条件的路径。


建立 ASAP 1.0 之后,该团队对这条合成途径作了进一步优化。在 fls-M3、fbp-AGR 和 agp-M3 三种工程酶的作用下,他们构建出了 ASAP 2.0 。与原本的 ASAP 1.0 相比,ASAP 2.0 将淀粉生产率提高了约 7.6 倍,能在 10 小时内将 20 mM甲醇转变为 230 mg l-1的直链淀粉。


通过时间和空间上进一步分割淀粉的生产步骤,ASAP 3.0 进一步实现了以每毫克催化剂和蛋白质 22 纳摩尔二氧化碳每分钟的速率生产淀粉,比玉米中的淀粉合成速率高约 8.5 倍。


目前,淀粉主要由玉米等作物通过光合作用固定二氧化碳而产生。作为一种高分子碳水化合物,淀粉的合成与积累过程相当复杂,其中包括超过 60 步的代谢反应以及精密的生理调控。



此前一直未出现实质性的突破成果

无需进行光合作用将二氧化碳转化为淀粉既是一项创新型科技成果,而且当属全球性的重大颠覆性技术。此前,多国科学家对该技术进行积极研究,但一直未出现实质性的突破成果。


据了解,人工合成淀粉技术的关键瓶颈有三个方面。第一,如何从低密度太阳能到高密度电能和氢能;第二,如何使二氧化碳从低浓度到高浓度;第三,如何将复杂合成途径到变为简单合成途径。在众多科学家的共同攻关下,前两个方面已基本得到了解决。


马延和告诉媒体,此次研究中,他们主要在人工合成途径构建方面实现了跨越式突破。一方面,该研究跨越了人工途径进化的鸿沟,克服了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学不匹配等瓶颈,使得二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升;


另一方面,该研究跨越了从虚拟到现实的鸿沟,通过计算机设计并筛选得出了符合条件的路径,以实现人工淀粉合成。



图 | 从 C1 到 Cn 模块逐步构建人工合成淀粉途径的过程(来源:Science)


现如今,全球面临气候变化、粮食与食品安全和能源资源短缺等一系列重大挑战,科技创新已成为重塑世界格局、创造人类美好未来的关键因素。而二氧化碳的转化利用与淀粉类粮食的工业合成,正是应对这些挑战的重大科技成果之一。


未来,此次二氧化碳人工合成淀粉技术的突破,有望使淀粉生产模式发生转变,或将从传统农业种植变为工业车间生产,同时为二氧化碳转化为多种其他可利用的复杂分子带来全新技术思路。


目前,该技术还未完全成熟,正处于实验室阶段,距落地应用还有相当长的路要走,之后应持续投入,以实现从 “0 到 1” 到 “1 到 10”,乃至“10 到 100” 的突破,切实为解决人类发展的重大问题贡献力量。


马延和告诉媒体,该研究为二氧化碳到淀粉的工业车间生产开辟了新局面。未来,当该系统的生产成本达到可与农业种植不相上下时,不仅能够节约超过 90% 的耕地和淡水资源,还可以降低农业生产过程中对环境所造成的污染,在推动粮食与食品安全的同时,助力碳中和发展,带领社会走向可持续发展的道路。


熊伟告诉 DeepTech,近年来,随着合成生物学的突飞猛进, 科学界开始尝试设计和构建全新的人工代谢途径提高二氧化碳的固定效率。


体外代谢途径的构建由于不必依赖于宿主细胞自生的新陈代谢,容易实现代谢途径的精确控制和优化,可以和其他化学工艺(例如电化学过程等)相互嵌合,等优点逐渐得到了学界的青睐。比如,Schwander et al. 于 2016 年首次报道了一条体外二氧化碳固定途径的构建,使用了来自于 9 个物种的 17 种酶催化。


熊伟还表示:“淀粉是人类饮食中最常见的碳水化合物,广泛存在于马铃薯、小麦、玉米、大米、木薯等主食中。自然界主要通过光合作用, 固定二氧化碳生产淀粉。该过程依赖于卡尔文循环, 由美国生物化学家梅尔文·卡尔文(Melvin Calvin)及其同事在 50 年代中后期发现并命名。即植物的叶绿体如何通过光合作用把二氧化碳转化为机体内的碳水化合物的循环过程。卡尔文也因此获得了 1961 年诺贝尔化学奖。天然的卡尔文循环生产淀粉的效率受限于关键酶反应的动力学。目前,学术界普遍认为 1,5 二磷酸核酮糖羧化酶(RuBisCO)是卡尔文循环的限速步骤。几十年来, 科学家试图通过改进 RuBisCO 的动力学性质来提高二氧化碳的固定效率,但没有获得革命性的进展。”


斯坦福大学材料科学系研究员唐静告诉 DeepTech:“自然光合生物通过自然进化已经适应了利用低密度太阳能和空气低浓度二氧化碳进行光合作用的固碳模式。突破自然生物固碳模式,创建高密度能量固定高浓度二氧化碳的新型工业化固碳模式,既是重大科学挑战,又具有重要应用价值。本研究通过解析自然界二氧化碳的还原、缩合、延伸原理,创建了高密度电/氢等能量固碳并生物转化合成淀粉的核心关键技术,以此为基础建立以二氧化碳为原料的生物制造工业路线,实现化工、材料、能源、大宗食品原料等规模化制备,对提升我国生物制造核心竞争力,促进我国双碳目标的实现具有重要意义。”



图 | ASAP(来源:Science)


唐静认为:“这一重大突破将该领域研究向前推进了一大步,将对下一代生物制造和农业发展产生深远影响,该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉提供新的技术路线和思路。”


上海交通大学特别研究员、长聘教轨副教授倪俊告诉 DeepTech,碳回收是合成生物学的终极目标,而利用有机碳源的生产方式其实本质上都是对资源的消耗。马延和教授团队勇闯科研的无人区,成功开发了从二氧化碳直接合成淀粉的全新路径,这体现了天津工业生物技术研究所深厚的研发能力,也展现了合成生物学多学科交叉融合的“魔力”。这项基础研究领域的重大突破对于粮食安全、碳中和以及生物制造等多方面都将产生积极而深远的影响。

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