点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:人工合成淀粉,技术造物新突破
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

人工合成淀粉,技术造物新突破

来源:人民日报2024-08-06 09:26

  当今世界面临气候变化、粮食安全、能源资源短缺等挑战,如何把二氧化碳转化成对人类有意义且有市场价值的物质?人工合成淀粉项目便是其中一个尝试。中国科学院天津工业生物技术研究所于2018年实现项目突破,之后不断进行技术迭代升级。如今,人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,并可根据需要实现不同类型淀粉的定向可控合成。

  魂牵梦绕的蓝色,出现了!

  天津空港经济区,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)内,研发人员乔婧正在重复每日的实验流程。当一滴滴碘液被加入试管,乔婧不由得愣住了:试剂变成了期待已久的颜色,“蓝色虽然很淡,但这说明淀粉出现了!”回忆2018年的情景,乔婧依然激动。

  同样激动的还有天津工业生物所人工合成淀粉项目经理蔡韬。他一度不敢确信,从会议室一路奔回实验室,设计了重复实验。第二天,“淀粉蓝”如期出现,“太好了!”蔡韬悬着的心放了下来,笑容洋溢在脸上,身后的同事跟着鼓掌欢呼。

  2021年,人工合成淀粉团队在国际刊物《科学》杂志上发表了结合人工光合反应和生物酶催化反应构筑了从水和二氧化碳合成淀粉的新体系。“这是一项里程碑式的突破,将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”审稿专家如此评价。

  人工合成淀粉项目的由来,源于一次高铁上的思考。“当今世界面临气候变化、粮食安全、能源资源短缺等挑战,如何把二氧化碳转化成对人类有意义且有市场价值的物质?”在出差回天津的高铁上,这个念头突然出现在天津工业生物所时任所长马延和的脑海中。经过所里认真研判,人工合成淀粉项目在2015年正式提出。

  接到攻关任务邀请时,蔡韬既兴奋又担忧,人工合成淀粉,理论上来说可以实现,但此前没有成功案例,“我们想挑战一下别人没做成的事”。

  在自然界,玉米、小麦、土豆等农作物通过光合作用将太阳光能、二氧化碳和水转化成淀粉。但这个自然过程需要大量的土地和淡水资源,且受天气影响很大。

  能不能模拟自然界淀粉的合成过程,通过技术手段实现人工合成淀粉?

  “我们最初的思路是利用可再生能源分解水产生电子或氢,然后利用电子或氢将二氧化碳还原为甲酸、甲醇等简单化合物,进一步通过酶催化简单化合物聚合生成淀粉。”蔡韬说,人工合成淀粉,是一场寻找“捷径”的实验。

  在农作物中,淀粉的合成大约需要60步代谢反应。如果要进行工业化生产,就必须简化步骤。蔡韬和团队与所内擅长生物设计的团队合作,从6568个生化反应中进行系统挖掘和筛选,分别从甲酸或甲醇出发,设计了最短的人工淀粉合成路径。理论上,二氧化碳仅通过9个主反应就能合成淀粉。“步数越少,问题就越少。”蔡韬说。

  实验一做就是3年,光是实验记录就摞了半人高,团队成员的心情也跟着实验过程不断起伏。

  问题出在哪里了?“就像河水断流,要找出是上游堵塞还是河道分叉,弄清症结才能解决问题。”蔡韬说,实验最突出的问题是“酶”。淀粉合成过程中多数反应都需要酶,自然界中的反应路径通过长期自然选择进化而成,各个酶都能够适配协作,但人工设计的反应路径却不同。

  “同一个酶往往能催化多个反应,可能会带来副作用;有时会出现多个酶竞争一个底物,还有的酶会产生多种产物。”为调和酶之间的“矛盾”,蔡韬找到所里专门研究酶的团队,一起对酶进行定向改造或人工设计新酶,来满足淀粉合成人工路径对酶的需要。

  讨论、实验、推翻、再讨论、再实验……团队尝试利用甲醇中“氢燃烧”产生的能量驱动产生甲醛的反应,解决反应中的热力学与动力学不匹配的问题,9个主反应也相应被拓展到11个。

  科学的积累是漫长的,但突破有时只是一个瞬间。2018年7月24日上午,蔡韬收到团队成员的一张图片。打开后,蔡韬看到了那一抹梦寐以求的“蓝”。

  “现在来看,那只是人工合成淀粉1.0版本。”蔡韬说,这几年团队完成了人工合成淀粉技术的迭代升级,不断提高淀粉合成产量,把淀粉的生产强度较1.0版本提高了136倍,人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,并可根据需要实现不同类型淀粉的定向可控合成。

  在蔡韬看来,科研的最大成功是能够落地应用,帮助增进社会福祉,“接下来,我们将加快让科研成果从实验室走向产业化应用的速度,让技术造物绘就科技惠民新图景。”蔡韬说。(龚相娟

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西藏和平解放75周年丨“天路”纵横 畅行高原

  • 浙江湖州开展国际生物多样性日主题活动

独家策划

推荐阅读
5月22日上午,在2026年文化强国建设高峰论坛“人工智能与媒体变革”分论坛上,中宣部副部长、国务院新闻办公室主任莫高义发表主旨演讲。
2026-05-22 13:22
中国科学技术大学何俊峰教授研究组与南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组合作,在新型镍基高温超导的机理研究中取得重大突破。
2026-05-22 10:19
近年来,生产环节的技术革新,推动缝纫线产业转型向着上游拓展。
2026-05-22 10:19
在系列政策牵引下,学科专业动态调整正日趋常态化、精细化与特色化。
2026-05-22 10:14
“十五五”时期,如何推动我国生物多样性保护迈上新台阶?应着力在以下方面下功夫。
2026-05-22 10:13
当AI把数小时的工作压缩到转瞬之间,一个核心问题不得不让人思考:AI时代,未来教育最该培养学生什么能力?
2026-05-22 10:11
2026年亚太经合组织(APEC)贸易部长会议将于5月22日至23日在江苏省苏州市举办。苏州高新区镇湖绣娘姚琴华、岳琰创作的苏绣作品《朱荷图》《太湖一梦入姑苏》也一同展出。一根丝,在绣娘手中可以绣出江南山水;在现代工厂里,也可以进入高端面料、工业材料、绿色纤维和全球供应链。
2026-05-21 09:35
残障群体对无障碍环境建设最为敏感、利益最为攸关,但其话语权也相对较弱。不断完善相关法律体系,以充分保障残障群体在无障碍环境建设中各项权利。
2026-05-21 09:33
光,是宇宙中最神秘而又最常见的存在。从彩虹与翅膀的启示,到光子晶体与超材料的设计,人类在光学材料上的探索不断深化,实现了从“理解自然之光”向“设计与驾驭光”的飞跃。
2026-05-21 09:31
全球气候变化加剧,干旱灾害频发,正威胁世界粮食安全。
2026-05-21 09:30
2026年5月21日至23日,中国科学技术馆在河南省科学技术馆举办“全国科学家故事馆校众创展演活动”。
2026-05-21 09:27
近日,中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩率领团队自主研制的一对多动目标微波无线传能地面验证系统取得重大突破,在百米级距离实现了千瓦级的直流输出功率,直流—直流传输效率达到20.8%,波束收集效率高达88.0%。
2026-05-20 09:42
5月18日,随着“雪龙2”号凯旋,中国第42次南极考察圆满落下帷幕。
2026-05-20 09:37
逛一座馆,见证玻璃工业百年变迁。参观工业博物馆,一件件展品记录的是中国制造的发展史,是从落后到并跑、领跑的奋斗史。让我们以工业博物馆为支点,撬动工业旅游这个大市场,以工业文化涵养制造强国建设。
2026-05-20 09:34
近日,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工生所)糖生物合成与绿色制造攻关团队的研究成果被期刊接收。
2026-05-20 09:27
天津市河西区陈塘庄街道社区的医生向我们反馈,预警模式实现了高危人群的精准干预,社区脑卒中发病率与复发率明显下降。
2026-05-20 09:16
“雪龙2”号极地科考破冰船18日抵达上海,这标志着中国第42次南极考察圆满结束。
2026-05-19 09:54
5月18日,中国第42次南极考察圆满结束。中山大学共有4名老师参与本次任务——大气科学学院教授韩博,遥感科学与技术学院副教授梁琦、叶玉芳、王绍银。
2026-05-19 09:53
“琅琊”海洋大模型现已在国家海洋环境预报中心部署测试运行,实现实景应用。这意味着,这个从青岛走出的AI模型,开始真正为国家海洋预报工作贡献力量。
2026-05-19 09:52
打破传统学科分立格局,发挥工科见长优势,以工程需求催生基础研究、以基础研究赋能工科升级。
2026-05-19 09:50
加载更多