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大众报业·农村大众客户端:专家访谈|用二氧化碳人工合成淀粉,对传统农业影响有多大?

时间:2021-09-29,来源:大众报业·农村大众客户端,浏览量:112

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编者按

我国科学家实现重大突破:用二氧化碳作原料,不依赖光合作用,人工合成了淀粉。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和团队完成的相关成果,北京时间9月24日由国际知名学术期刊《科学》在线发表,引起社会各界关注。

自然界中的淀粉,通常由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳而产生。人工合成淀粉,作为科学技术领域的一个重大课题,备受重视,多个国家的科学家踊跃探索,但此前一直未能取得实质性突破。如今,马延和研究员率领团队,用二氧化碳人工合成了淀粉。这项技术对传统农业影响有多大?这类淀粉未来能替代口粮吗?何时能大规模生产?今天,大众报业·农村大众记者特邀三位专家,谈谈各自的观点。

特邀专家

刘春明:作物遗传学专家,北京大学现代农学院院长、教授

楚秀生:作物育种专家,山东省农业科学院作物研究所研究员

刘  鹏:作物栽培专家,山东农业大学农学院教授

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刘春明教授

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楚秀生研究员

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刘鹏教授

大众报业·农村大众记者: 我国科学家实现重大突破,用二氧化碳人工合成了淀粉。看到这一新闻,您的初步感受是什么?请用一句话概括。

楚秀生:惊奇!

刘鹏:像是天方夜谭,但仔细阅读新闻之后,感觉是开了一个天窗,发现了一条路径。

刘春明:这是我国在合成生物学领域的一项重大创新,是化学和生物学的一次完美结合。

大众报业·农村大众记者: 用二氧化碳人工合成淀粉,这一科研成果的意义何在?请从理论或技术上作个简要阐述。

楚秀生:用二氧化碳人工合成淀粉的主要价值是,在无光照条件下通过淀粉合成步骤的减少、合成效率的提高,大幅度地增加淀粉产量。

刘鹏:其意义在于,初步探索出一条发展工厂化生产碳水化合物或人类基本食物的一条途径。这在理论上是可行的。实际上,在作物体内也是按照一定的步骤,在多种酶的作用下,利用太阳能将二氧化碳和水经过多个生化步骤转变为碳水化合物的。研发人员用二氧化碳人工合成淀粉,是在作物体外进行的,而且是在一定的高能量、高氢密度条件下进行的,应该也有多种酶系的参与。不过,具体需要多大的能量、多高的氢密度才能够实现目标,在经济上投入需要多少,新闻中没有提及,我们不清楚。

刘春明:淀粉是人类赖以生存的最主要能量来源。我们从谷物中摄取的最主要的成分是淀粉,进入人体或动物体内降解产出ATP并由其提供生长发育所需要的能量。藻类和高等植物经过数亿年的演化,构建了固定二氧化碳产生糖,由糖合成淀粉的生物合成途径,中间经历60多个化学反应和调控过程。中国科学院天津工业微生物研究所的专家利用化学合成和酶促反应,构建了只需要11步反应就可以完成的从二氧化碳到淀粉的合成路径。这中间经历反复的系统优化和计算,最终实现在每升反应体系中每小时合成0.41克的合成效率,约比玉米的淀粉合成效率高8.5倍。这是一项里程碑式的工作,为淀粉的工业化合成奠定了理论基础。

大众报业·农村大众记者:这一成果对于未来农业生产、粮食供应,贡献有多大?请预测一下。

楚秀生:这项成果目前处于实验室阶段,合成淀粉的成本可能较高。这是因为合成淀粉的11个步骤需要有相关酶参与催化反应,而这些酶是需要提取制备的。如果在成本方面能够低于或与农作物自然种植成本相当的话,将会对未来农业生产、粮食供应,作出重大贡献。

刘春明:目前看,这项成果还不会对粮食生产、传统农业产生直接贡献。淀粉作为地球上最丰富的生物能量提供化合物,靠农作物进行生物合成的成本很低,价格也不高,而人工化学合成则需要昂贵的酶制剂和合适的反应条件。降低成本、提升规模还有非常长的路要走。

刘鹏:如果二氧化碳人工合成淀粉技术可以应用于大规模生产,对于未来农业发展肯定有较好的促进作用,至少可以降低淀粉类作物的种植面积,扩大其他作物的种植面积。至于对未来粮食供应、保障粮食安全的贡献,目前谈此问题言之过早,因为它距离实际应用还有很多工作需要开展。

大众报业·农村大众记者:您认为,用二氧化碳人工合成淀粉,这一成果距离实际应用有多远?对传统农业有冲击吗?

刘春明:非常远,但有潜在价值。

楚秀生:这项成果目前只是处于实验室阶段,所合成的淀粉分子虽然通过核磁共振等检测发现与天然淀粉分子的结构组成一致,但其加工品质以及对传统食品制作的贡献都需要进行深入研究。因此,这项成果距离实际应用还有很长的距离,估计3-5年内不会大规模推广应用,也不会对传统农业产生冲击。

刘鹏:距离实际应用还有很长的路要走。像很多生物技术的研究一样,从技术开发成功到具体应用,还有许多研究工作要做。随着技术的进步,这项成果实现产业化后,将对传统农业产生一定的冲击,但是在可预见的时间内几乎无冲击。

再说,人类的食物并非只有淀粉,还需要其他油脂、糖类和蛋白。作为食物,还需要考虑人类长期形成的口感。

大众报业·农村大众记者:还有其他需要补充的观点吗?比如,对这一成果未来发展方向,成果落地应用的预测等。

刘鹏:我的看法是,用二氧化碳人工合成淀粉,短期内从经济效益上看并不划算。

楚秀生:从实验室成果到产业化应用需要一个过程,包括工艺流程的优化、生产成本的降低等。如果研发者所说的理论能够落地转化且成本低的话,即在充足能量供给的条件下,1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量,那么这项成果具有广阔的应用前景。

刘春明:想象一下,如果未来能用二氧化碳和氢气合成粮食,粮食生产实现了工业化,作物育种家们、农民们是不是可以安心休息了?那该是多么美丽的景色啊!

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