生物实验淀粉

吴·

粮食不需要种在土地上，可以在生产车间制作。如今，这种看似不可能的想象正在变成可能。

日前，中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物技术研究所”)在淀粉人工合成方面取得重大突破，在国际上首次实现了二氧化碳在实验室内从头合成淀粉。

“这也意味着，我们需要的淀粉，未来可以在生产车间里，以二氧化碳为原料，通过类似酿造啤酒的工艺制造出来。”天津工业生物研究所所长马延河说。二氧化碳被还原成甲醇，然后转化成淀粉。

淀粉是人类食物最重要的组成部分，也是重要的工业原料。目前，淀粉主要是农作物通过光合作用产生的，光合作用转化太阳能、二氧化碳和水。

长期以来，研究人员一直试图改善光合作用的生命过程，希望提高二氧化碳和光能的利用效率，最终提高淀粉的生产效率。

这一次，天津工业生物研究所的研究人员利用电解产生的二氧化碳和氢气，成功创造了一条合成淀粉的人工路线。这条路线涉及11个核心生化反应，淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍。

从能量的角度来看，光合作用的本质是将太阳能转化为储存在淀粉中的化学能。因此，有效地将光能转化为化学能并储存起来至关重要。

"我们想到了光能-电能-化学能的能量转换方式."天津市工业生物研究所副所长王说:“首先，光伏发电将光能转化为电能，通过光伏电水解产生氢气；然后，二氧化碳通过催化剂被氢气还原为甲醇，电能转化为储存在甲醇中的化学能。这个过程的能量转换效率超过10%，远远超过光合作用的能量利用效率。”

自然界没有甲醇合成淀粉的生命过程。王说，“如果要人工实现这一过程，关键是要制造出一种自然界不存在的酶催化剂。”

研究人员从动物、植物、微生物等31个不同物种中挖掘并改造了62种生物酶催化剂。，最后选出了其中的佼佼者。十种酶被用来逐渐将甲醇转化为淀粉。这条路线不仅可以合成易消化的支链淀粉，还可以合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。实现合成方法建设的跨越式突破。

据专家介绍，高效人工合成淀粉面临的挑战主要来自三个方面:低密度太阳能向高密度电能和氢能转变，低浓度二氧化碳向高浓度二氧化碳转变，复杂的合成途径向简单的合成途径转变。此前，在众多研究者的努力下，前两个问题已经基本解决。

“这一次，我们主要在合成途径的构建上实现了跨越式突破。”马延河说。

他介绍，第一，跨越了人工进化的鸿沟。克服了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学和动力学不匹配的瓶颈，显著提高了二氧化碳转化为淀粉的碳转化率和效率；二是跨越从虚拟到现实的鸿沟。团队计算机可以设计多条合成路径，通过各种模块的组装和适配，最终选出合格的路径，实现人工淀粉合成。

“经过分析鉴定，我们合成的淀粉样品与天然产生的淀粉在组成和理化性质上完全一致。”天津工业生物研究所副研究员蔡涛说。

据课题组介绍，在能源供应充足的情况下，按照目前的技术参数，理论上1立方米生物反应器的淀粉年产量相当于我国5亩土地上种植玉米的平均年产量。

马延河说，“这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业作坊生产模式转变成为可能，为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。”创新科研组织模式，让不同专长的团队协同攻关。

专家预计，如果未来这一系统的过程成本能够降低到与农业种植相当的经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药和化肥对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。

重大突破的背后，除了研究团队多年的努力和坚持，研究组织模式的创新也功不可没。

2015年以来，天津工业生物研究所以合成淀粉和二氧化碳的生物转化利用为重点，开展需求导向的科技研究，汇聚院内外创新资源，加强“学科-任务-平台”一体化，实现各方科研力量的有机融合和高效协同。根据项目的研究需要，研究所安排人才，组建了一支平均年龄30岁的优秀青年科学家队伍。

传统的研究模式一般是以课题组为单位进行的，其优点是可以专注于一个领域，但并不是所有的研究项目都适合这种模式。

马延河说，“比如我们的项目是一个多领域、多方向的交叉工作，需要不同专长的人和团队去组织、合作完成。传统的科研模式显然不适合。”

根据项目的特点，研究所建立了一种新的科研组织模式，即立体化管理模式。

“立体化管理模式，具体来说就是在研究所内统一分配经费，成立整体研究部、研究组和平台实验室。”蔡涛说:“总研部负责项目矩阵管理；课题组是根据领域方向和学科布局设置的特色学科群，实现专业分工；实验室负责为项目提供设备方法支持。”

“在这种新模式下，我们会在整个项目层面提前做一个详细的分析，以达到哪个目标，谁需要做哪些任务。”蔡威说。

项目实施过程中，承担子任务的科研团队也会受到严格考核。但是，通过评估的团队将被新的团队替换，重新完成任务。

"十几个小团队参与了整个项目。"蔡涛说，“不同的团队聚在一起，为一件事、一个目标、一项任务共同努力，共同攻关，最终实现了原创性的重大突破。”