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碳三|凭“空”造淀粉( 二 )


与此同时，他们还进一步改造来自动物、植物、微生物等不同物种的生物酶催化剂，构建从2—羟基丙酮到葡萄糖异生代谢、多糖聚合功能模块，组装复杂的生化级联反应体系，通过蛋白别构调控改造、反应时空分离优化，解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热动力学匹配等问题 。
经过各种优化，科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步，并实现了精准调控 。“这就是我们最初的梦想——凭空制造，随心所欲 。”论文通讯作者，天津工业生物所所长、研究员马延和说 。
三问：人工合成淀粉跟自然淀粉一样吗
“如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝，大概会像意大利面那样劲道 。”马延和表示，自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起，目前实验室里合成的主要是直链淀粉，合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂 。
“在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的 。”蔡韬说，实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，“是比较稀的淀粉糊糊，干燥后会变成粉状” 。
科研人员对淀粉的基本判断方法是在溶液中加碘液，直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色 。此外，他们还专门对合成物进行了理化分析 。“通过核磁共振等检测，它和自然生产的淀粉一模一样 。”蔡韬说 。
四问：有可能实现工业化生产吗
作为一项基础研究领域的原创性突破，人工合成淀粉仍处在实验阶段 。那么，未来它是否有工业化生产的可能？对此，科研人员表示，有潜力也有挑战 。
“实验室里合成出淀粉大约需要4个小时 。就人工合成淀粉的途径来看，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍 。”蔡韬说 。
他告诉采访人员，在实验室里，规模还比较小，平均1小时能合成出的淀粉只有几克，但是按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉平均年产量，这为淀粉生产的车间制造提供了可能 。
“如果人工合成淀粉示范可以达到理论能量转换效率的80%，那么10度电大约可以合成1千克淀粉 。”马延和说 。
同时，蔡韬也直言，产业化应用还有很大挑战 。一方面，在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决；另一方面，就经济性而言，从控制过程成本初步计算，只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争 。因此，实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题 。
五问：接下来还要做什么
“我们做的是应用导向的基础研究，目前取得的只是阶段性进展，后面还面临着很多难题 。”蔡韬表示，科研团队已经迈出了第一步，即从理解细胞的基础代谢原理到设计细胞外生物化学反应途径 。接下来，他们还要建立从二氧化碳到淀粉的可控网络和生态系统，并尝试在细胞内实现淀粉的人工合成 。
产业化也是他们努力的方向 。“我们计划在未来5至10年内，建立工业示范，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉 。”马延和说 。
此外，蔡韬表示，目前研究团队规模尚小，希望与相关研究所、大学和企业等创新力量加强合作，推进人工合成淀粉工程化进程 。
【碳三|凭“空”造淀粉】“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进 。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示，后续研究团队还需要尽快实现从“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破，最终真正解决人类发展面临的重大问题 。

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