第二十屆上海國際淀粉及淀粉衍生物展覽會
2026年6月15-17日 國家會展中心(上海)
距2026年展會還剩
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2026年6月15-17日 國家會展中心(上海)
距2026年展會還剩
當今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn)，如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì)？ 人工合成淀粉項目便是其中一個嘗試。 中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所于2018年實現(xiàn)項目突破，之后不斷進行技術迭代升級。如今，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
天津空港經(jīng)濟區(qū)，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所(以下簡稱“天津工業(yè)生物所”)內(nèi)，研發(fā)人員喬婧正在重復每日的實驗流程。當一滴滴碘液被加入試管，喬婧不由得愣住了：試劑變成了期待已久的顏色，“藍色雖然很淡，但這說明淀粉出現(xiàn)了!”回憶2018年的情景，喬婧依然激動。
同樣激動的還有天津工業(yè)生物所人工合成淀粉項目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信，從會議室一路奔回實驗室，設計了重復實驗。第二天，“淀粉藍”如期出現(xiàn)，“太好了!”蔡韜懸著的心放了下來，笑容洋溢在臉上，身后的同事跟著鼓掌歡呼。
2021年，人工合成淀粉團隊在國際刊物《科學》雜志上發(fā)表了結(jié)合人工光合反應和生物酶催化反應構(gòu)筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系。“這是一項里程碑式的突破，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響。”審稿專家如此評價。
“當今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn)，如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì)？”在出差回天津的高鐵上，這個念頭突然出現(xiàn)在天津工業(yè)生物所時任所長馬延和的腦海中。經(jīng)過所里認真研判，人工合成淀粉項目在2015年正式提出。
接到攻關任務邀請時，蔡韜既興奮又擔憂，人工合成淀粉，理論上來說可以實現(xiàn)，但此前沒有成功案例，“我們想挑戰(zhàn)一下別人沒做成的事”。在自然界，玉米、小麥、土豆等農(nóng)作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成淀粉。但這個自然過程需要大量的土地和淡水資源，且受天氣影響很大。
能不能模擬自然界淀粉的合成過程，通過技術手段實現(xiàn)人工合成淀粉？
“我們最初的思路是利用可再生能源分解水產(chǎn)生電子或氫，然后利用電子或氫將二氧化碳還原為甲酸、甲醇等簡單化合物，進一步通過酶催化簡單化合物聚合生成淀粉。”蔡韜說，人工合成淀粉，是一場尋找“捷徑”的實驗。
在農(nóng)作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應。如果要進行工業(yè)化生產(chǎn)，就必須簡化步驟。蔡韜和團隊與所內(nèi)擅長生物設計的團隊合作，從6568個生化反應中進行系統(tǒng)挖掘和篩選，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設計了最短的人工淀粉合成路徑。理論上，二氧化碳僅通過9個主反應就能合成淀粉。“步數(shù)越少，問題就越少。”蔡韜說。實驗一做就是3年，光是實驗記錄就摞了半人高，團隊成員的心情也跟著實驗過程不斷起伏。
“這只是人工合成淀粉1.0版本”
問題出在哪里了？“就像河水斷流，要找出是上游堵塞還是河道分叉，弄清癥結(jié)才能解決問題。”蔡韜說，實驗最突出的問題是“酶”。
淀粉合成過程中多數(shù)反應都需要酶，自然界中的反應路徑通過長期自然選擇進化而成，各個酶都能夠適配協(xié)作，但人工設計的反應路徑卻不同。
“同一個酶往往能催化多個反應，可能會帶來副作用；有時會出現(xiàn)多個酶競爭一個底物，還有的酶會產(chǎn)生多種產(chǎn)物。”為調(diào)和酶之間的“矛盾”，蔡韜找到所里專門研究酶的團隊，一起對酶進行定向改造或人工設計新酶，來滿足淀粉合成人工路徑對酶的需要。
討論、實驗、推翻、再討論、再實驗……團隊嘗試利用甲醇中“氫燃燒”產(chǎn)生的能量驅(qū)動產(chǎn)生甲醛的反應，解決反應中的熱力學與動力學不匹配的問題，9個主反應也相應被拓展到11個。科學的積累是漫長的，但突破有時只是一個瞬間。2018年7月24日上午，蔡韜收到團隊成員的一張圖片。打開后，蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍”。這幾年團隊完成了人工合成淀粉技術的迭代升級，不斷提高淀粉合成產(chǎn)量!
把淀粉的生產(chǎn)強度較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，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。在蔡韜看來，科研的最大成功是能夠落地應用，幫助增進社會福祉，“接下來，我們將加快讓科研成果從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應用的速度，讓技術造物繪就科技惠民新圖景。”蔡韜說。
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本文來源：人民網(wǎng)
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