“空氣變饅頭”升級版來了！澱粉合成從“數月”到“數天”

“利用合成生物學的途徑，用1立方米大小的生物反應器生產的澱粉量，就能與5畝土地種植出來的玉米相當。”日前在上海舉行的“好望角科學沙龍”合成生物學專場活動上，中國科學院天津工業生物技術研究所創始所長馬延和表示，人工合成澱粉的突破使不依賴土地、淡水等農業資源的澱粉車間製造成爲可能，將在未來重塑生物製造與農業生產的格局。

馬延和在沙龍上作報告

第三次生物技術革命

合成生物學的概念起源於1911年，法國物理化學家斯特凡·勒迪克受合成有機化學啓發，首創“合成生物學”一詞。這是一個涉及生物學、基因組學、工程學和信息學的交叉學科，通過工程化原理，有目的地設計生物系統甚至創造新生命。因其實現了從“認識生命”到“設計生命”的跨越，合成生物學又被譽爲“第三次生物技術革命”。

人工合成澱粉是合成生物學領域的里程碑式進展。在自然條件下，植物利用低密度太陽能和空氣低濃度二氧化碳，通過光合作用產生澱粉，整個過程不僅週期長達數個月，並且能量的轉化效率極低，只有1%左右。

2021年9月，國際權威期刊《科學》在線發表了馬延和團隊的研究成果——採用一種類似“搭積木”的方式，從頭設計、構建了11步反應的非自然固碳與澱粉合成途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到澱粉分子的全合成。

這是國際上第一次不需要依賴植物光合作用，而是採用人工手段，將自然的代謝過程重新拆解、組裝，以二氧化碳、水和氫能爲原料，在實驗室生產出了澱粉，讓科幻小說中的“空氣變饅頭”從幻想變爲現實。

“澱粉合成是一個能量輸入過程，生化反應步驟多而代謝複雜，很多生理調控的問題和機制都沒有搞清楚。”馬延和表示，團隊從6568種生化反應中篩選出最優路徑，通過定向改造酶分子、創建非自然人工酶，解決了熱力學匹配、代謝流平衡等世界級難題，最終成功合成了澱粉。

澱粉合成從“數月”變成“數天”

馬延和在演講中提到，團隊將澱粉人工合成的途徑優化、整合到3.0的版本。與玉米合成澱粉相比，人工合成澱粉的能量轉換效率提升了3.5倍，澱粉的合成速度提升了8.5倍，把此前2-3個月的自然澱粉合成時間縮短到數天。“這意味着未來澱粉生產可脫離農業種植，實現工業化的車間製造，讓人類有了太空生存的能力。”

“人工智能技術的發展，大大推動了合成生物學‘理性設計’的進程。”馬延和在分享中還強調了AI技術對於合成生物學的重要性，並表示隨着技術的不斷髮展，合成生物學目前已拓展至蔗糖、己糖、生物可降解材料等多碳複雜分子的合成，爲食品、能源、醫藥行業提供全新解決方案。

合成生物學全球市場規模

據上海合成生物學創新中心和波士頓諮詢公司共同發佈的《中國合成生物產業白皮書 2024》顯示，全球合成生物學市場規模從2018年的53億美元增長到2023年的超過170億美元，平均年增長率達27%，預計未來將持續增長，並在2028年達到近500億美元。