国际首次重大突破,农工党党员马延和领衔科研攻关!

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9月23日,马延和在新闻发布会上向媒体介绍研究成果。新华社记者 金立旺 摄


粮食不需要土地种植就可以在生产车间中由空气制造出来?如今,这个看似天方夜谭的想象正在成为可能。这得益于天津市人大常委会副主任、农工党天津市委会主委马延和团队在淀粉人工合成方面取得的重大突破性进展——利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉。

该成果于北京时间9月24日在线发表于国际学术期刊《科学》。当日出版的《人民日报》也以《我国科学家在合成生物学领域取得重大突破,系国际上首次——实验室里“种”淀粉》为题介绍了这一成果。此前,中科院于9月23日就此召开新闻发布会,对成果及其进展进行解读。

淀粉是人类粮食的最主要成分,同时也是重要的工业原料。目前淀粉主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。马延和介绍说,这项研究成果意味着,我们所需要的淀粉,今后可以将二氧化碳作为原料,通过类似酿造啤酒的过程,在生产车间中制造出来。


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科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理(从左至右)在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影(9月16日摄)。新华社记者 金立旺 摄


农作物种植通常需较长周期,并使用大量土地、淡水等资源和肥料、农药等农业生产资料。此次研究中,天津工业生物所科研人员成功创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线涉及11步核心生化反应,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。淀粉高效人工合成的挑战主要来自低密度太阳能到高密度电能和氢能,低浓度二氧化碳到高浓度二氧化碳,以及复杂合成途径到简单合成途径3个方面。此前,在众多科研人员的努力下,前两个问题已基本得到了解决。


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利用人工途径从二氧化碳合成淀粉示意图


马延和称,这次主要在人工合成途径构建方面实现了跨越式突破。一是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,二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升二是跨越了从虚拟到现实的鸿沟。团队用计算机可以设计出很多条合成途径,通过各种模块的组装和适配,最终筛选出了符合条件的路径,实现了人工淀粉合成。

据科研团队介绍,在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数推算,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。马延和透露,这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。


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在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室,科研人员展示人工合成淀粉样品(9月16日摄)。新华社记者 金立旺 摄

据悉,该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

专家预计,如果未来该系统过程成本能够降低至与农业种植相比具有经济可行性,将可能节约90%以上的耕地和淡水资源,同时减少农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展。(以上内容综合自新华社、《人民日报》报道和天津工业生物研究所网站消息)



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