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《科學》重磅:人工合成淀粉技術(shù)突破性進展!

更新時間:2021-09-27 10:48:51

近期,中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性進展,國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成,相關(guān)工作于2021年9月24日發(fā)表于國際頂尖雜志《科學》。

 中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和研究員帶領(lǐng)團隊,采用一種類似“搭積木”的方式,從頭設(shè)計、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑,在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。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。     實驗室初步測試顯示,人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下,按照目前技術(shù)參數(shù),理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當于我國5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。這條新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植向工業(yè)制造轉(zhuǎn)變成為可能,為從CO2合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

該研究的特點就是:純工業(yè)/實驗室合成,研究路線圖如下:


三大核心突破

>> 亮點一:能量轉(zhuǎn)化效率提升3.5倍 突破自然光合固碳系統(tǒng)利用太陽能的局限。

      為了設(shè)計超越自然能力的固碳淀粉合成途徑,科研團隊創(chuàng)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(yīng)中、構(gòu)建形成只有11步主反應(yīng)的固碳淀粉人工合成途徑,將理論能量轉(zhuǎn)化效率提升3.5倍,使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成為可能。

>>亮點2:從60多步到11步 突破自然界淀粉合成的復(fù)雜調(diào)控障礙。

      在計算設(shè)計的人工途徑中,生物酶催化劑是成功構(gòu)建這條途徑的核心關(guān)鍵??蒲袌F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(gòu)建了一條只有11步反應(yīng)的人工淀粉合成途徑,與自然界淀粉合成需要的60多個步驟相比,顯著降低了合成的復(fù)雜度。

>> 亮點3:突破天然淀粉合成時空效率不高的限制。

     由于缺少自然途徑上億年的進化過程,人工途徑中來源于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(fā)了模塊組裝優(yōu)化與時空分離反應(yīng)策略,解決了人工途徑中底物競爭、產(chǎn)物抑制等問題,最終獲得了淀粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。

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