【跨越式突破!中国首次在实验室实现人工合成淀粉】#我国基础研究获重大突破# 粮食不需要土地种植,可以在生产车间中制造出来。如今,这个看似天方夜谭的想象正在成为可能。#我国科学家突破人工合成淀粉技术#

日前,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。该成果于北京时间9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》。

“这也意味着,我们所需要的淀粉,今后可以将二氧化碳作为原料,通过类似酿造啤酒的过程,在生产车间中制造出来。”天津工业生物所所长马延和说。

将二氧化碳还原生成甲醇,再转化为淀粉

淀粉是人类粮食的最主要成分,同时也是重要的工业原料。目前淀粉主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。

长期以来,科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。

这次,天津工业生物所的科研人员就成功创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线涉及11步核心生化反应,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。因此,将光能高效地转变为化学能并储存下来成为关键。

“我们想到了光能—电能—化学能的能量转变方式。”天津工业生物所副所长王钦宏说:“首先,光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气;然后,通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。”

自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。王钦宏说:“要想人工实现这个过程,关键是要制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。”

科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。这种路径不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。

“也许在不久的将来,不需要种地,也能够满足我们对碳水化合物的需要。”王钦宏说。

在人工合成途径构建上实现跨越式突破

不依赖植物光合作用、人工合成碳水化合物,一直是世界各国科学家的梦想。此前,华人科学家杨培东曾带领团队利用聚糖反应成功将二氧化碳转化为多种单糖混合物。

“但是,他们还尚未实现复杂碳水化合物的人工定向合成。”天津工业生物所副研究员蔡韬说:“也就是说,他们的路线方法合成的是多种简单糖类化合物的混合物,还很难定向到其中的一种。”

专家介绍,淀粉高效人工合成的挑战主要来自低密度太阳能到高密度电能和氢能,低浓度二氧化碳到高浓度二氧化碳,以及复杂合成途径到简单合成途径3个方面。此前,在众多科研人员的努力下,前两个问题已基本得到了解决。

“这次,我们主要在人工合成途径构建方面实现了跨越式突破。”马延和说。

他介绍,一是跨越了人工途径进化的鸿沟。克服了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学不匹配等瓶颈,二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升;二是跨越了从虚拟到现实的鸿沟。团队用计算机可以设计出很多条合成途径,通过各种模块的组装和适配,最终筛选出了符合条件的路径,实现了人工淀粉合成。

“经过分析鉴定,我们合成的淀粉样品无论成分还是理化性质,都和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。

据科研团队介绍,在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数推算,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。

马延和说:“这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并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,如果未来该系统过程成本能够降低到可与农业种植相比的经济可行性,将可能会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展。

重大原创性突破的背后,除了科研团队多年的努力和坚持之外,科研组织模式的创新功不可没。

天津工业生物所自2015年起,聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用,开展需求导向的科技攻关,集聚所内外创新资源,加强“学科—任务—平台”整合,实现各方科研力量的有机融合和高效协同。研究所根据项目研究需求进行人才布局,组建了当初平均年龄30周岁的优秀青年科学家团队。

传统科研模式一般以课题组为单元进行,优势是能够集中在一个领域方向,但不是所有的研究项目都适合这样的模式。

马延和说:“比如,我们这个项目是一个多领域多方向交叉的工作,这就需要将具备不同专长的人和团队组织起来,协同合作才能够完成,传统科研模式显然不太适合。”

根据项目特点,研究所创立了新的科研组织模式,即三维管理模式。

“三维管理模式,具体来说就是所里统一拨付经费,设立总体研究部、研究组和平台实验室。”蔡韬说:“总体研究部负责项目矩阵管理;研究组是根据领域方向和学科布局设置的特色学科组,实现专业分工;平台实验室则负责为项目提供装备方法支撑。”

“在这种新模式下,要实现哪一步目标、需要哪些人来做哪些任务,我们在整个项目层面都会事先进行具体分析。”蔡韬说,“比如,途径设计就是由所里生物设计中心科技组来负责,总体研究部通过任务分解,将相关研究任务定向委托给他们。简单来说,这个模式更容易实现专业的人做专业的事,全预算的方式也能够保证团队一直稳定地做这一件事。”

项目实施过程中,也会对承担分任务的科研团队进行严格考核。通不过考核的团队,则由新的团队替换来重新完成任务。

“整个项目过程中,共有十多个小团队参与。”蔡韬说,“不同团队聚在一起,为一件事、一个目标、一个任务共同努力,协同攻关,最终实现了原创性重大突破。”(人民日报)

【#贵港# 我市打造中药材全产业链,推动中药材产业振兴——小药草撬动超20亿元大产业】9月14日18时许,又一辆满载药材的货车驶进位于港南区东津镇的贵港市桂艾健康科技有限公司,几名工人马上迎上去卸货入库;生产车间里,几名女工正在将生产出的艾草泡脚包、艾条进行包装,现场一派繁忙的生产景象。

贵港市桂艾健康科技有限公司是广西首家集艾草基地建设、艾制品生产研发、艾灸体验等于一体的全产业链特色中药材民营实体企业,带动全市艾草种植面积达2万多亩,年产值达8000多万元。

近年来,我市认真贯彻落实自治区关于扎实推进中药材产业高质量发展的决策部署,把中药材作为推进乡村振兴的主导产业来抓,通过采取政策扶持、科技提效、创新模式等举措,全市中药材产业取得迅速发展。2020年全市各类中药材种植面积合计50多万亩,产量12.95万吨,产值22.5亿元;全市有大中型中药生产企业6家,总产值达6亿元。

党委谋划、政府推动,树立主导产业地位

2020年新冠肺炎疫情突如其来,中成药在抗击疫情中发挥了重要作用,给中药材产业带来了发展机遇。我市紧紧抓住机遇,市委谋划部署和顶层设计,市政府挂图作战,组建中草药工作专班,全市上下一条心,决心要把贵港市打造成为广西乃至全国重要的中药材产业基地,并制定出台了《贵港市穿心莲等中草药产业发展实施方案》,明确了“十四五”发展重点和方向,提出到2025年,全市优质中药材种植面积要发展到70万亩以上。其中,中草药种植面积20万亩,标准化种植面积达80%以上,产品精深加工达90%以上,实现年产值25亿元。

一直从事中药材种植、收购、加工、销售的德泉中药材种植专业合作社理事长冯德泉敏锐地嗅到商机,去年5月,他在合作社基础上升级成立桂艾健康科技有限公司,在政府大力支持下,相关审批很快通过,试产的精品艾条、雷火灸等产品深受市场青睐。

我市依托农科院校,大力推广良种繁育,建立良种繁育基地,推广发展连片规模种植,培育标准化示范基地,带动提升中药材发展。目前,全市建立中药材产业示范基地68个、其中300亩以上连片中药材生产基地53个,总面积7万亩。同时,出台政策,对全市重点中药材加工企业在加工设备、技术改造、产品研发、市场推广等方面给予大力扶持,推动企业进一步做大体量、做优质量、增加销量,“十三五”期间累计发放扶持资金5000多万元。目前,全市有中药材加工企业20多家、中药材专业合作社102家、中药材加工作坊180多家,年加工本地中药材3万多吨,既促进了中药材种植面积大幅增加,也推动了企业发展壮大。

科技提效、协会助力,群众种植积极性高

眼下,港北区大圩镇穿心莲套种经济作物产业基地5000多亩穿心莲进入了收获季节,农民抓紧晴好天气收获、晾晒、销售……田间地头、农家大院,到处是收获的繁忙景象。

“现在市场收购价每斤两块多钱呢!”在穿心莲产业基地核心区的大圩镇乐堂村,村民陆月琼今年在花生地里套种了5亩多穿心莲,亩产预计可达600公斤,喜人的收益让她动力十足,很快就采收完一片穿心莲地。

近年来,我市积极组织农业科技人员开展中药材种植技术攻关研究,探索出玉米地(花生地)套种穿心莲、林下套种穿心莲种植等高产高质模式,实现了土地复种指数、前茬作物产量、后茬穿心莲产量、农民收入“四个提高”,全面提升中药材种植效益。

“我们村几乎没有一块旱地丢荒,大家在房前屋后的空地都种上了穿心莲。”乐堂村第一书记李希业自豪地介绍:“全村1256户有900多户种植穿心莲,农户在玉米及经济作物地里套种穿心莲年可增收1万元以上,村民心里都有一本明白账。”

经过近十几年的发展,我市已成为全国穿心莲最大产区,全市常年种植面积达3至4万亩,最多达到10万亩左右,常年干品产量2万吨左右,占全国产量70%以上,是全国最大的穿心莲原料集散地。

为规范管理中药材收购、加工、储运行为,确保产品质量,我市组建了贵港市中药材产业协会,把种植大户、中药材企业(合作社)纳入协会,建立健全行业管理制度,促进了中药材产业健康发展。目前,我市中药材产业涵盖穿心莲、肉桂、八角、山药、葛根、泽泻、天冬、艾草、藿香、佛手、魔芋等品种,全市单一品种种植面积超万亩的有肉桂、八角、山药、穿心莲、葛根、天冬等。其中,穿心莲4.2万亩,种植面积和产量均排全国第一;药食同源产品如肉桂、八角、山药、葛根、魔芋、牛大力、五指毛桃等,种植面积和产量均排在全广西前列。

创新模式、合作共建,中药材产业添动能

9月15日,在覃塘区凤凰林场,高大整齐的桉树林下一排排穿心莲长势喜人。这片2000亩的林下穿心莲种植基地负责人、贵港市百草园穿心莲产销专业合作社社长李延玉介绍,合作社从事穿心莲育苗、种植、加工、销售一体化经营,形成了穿心莲产业链,每年收购晒干的穿心莲约1000吨,加工、收购的产品直接销往广西华源冠峰医药有限公司、饲料厂。“今年,合作社辐射带动周边林农、果农种植穿心莲有5000多亩。”李延玉说。

近年来,我市创新机制和体制,以企业为重点,以全产业链为目标,积极探索中药材种植合作模式,构建紧密利益联合体,探索出三种合作共建模式,有力推动中药材产业持续健康较快发展。一是企业带动型,采取“中药企业+合作社+基地+农户”模式,大力发展中药材种植,如桂艾健康科技有限公司带动港南区东津镇发展种植广佛手套种艾草等中药材1万多亩。二是全产业链合作型,采取“中药材种植企业+国有林场+订单”模式,如百草园穿心莲种植合作社长期与冠峰药业进行深层次合作,形成了种植、加工、销售全链条合作利益联结机制。三是林地资源带动型,采取“经济林+基地+合作社+农户”模式,依托我市丰富林地资源推广林下套种中药材,既提升了土地资源利用率,又加快了经济林和中药材生长。据测算,每亩林地产值提升3000元以上,全市林下套种中药材产值超亿元。

依托现有产业规模,我市坚持实行中药材产业链招商、精准招商,强化培育中药材加工企业,延长中药材全产业链,成功引进了修正药业、石家庄药业等国内百强药企落户贵港,与国内知名的穿心莲内酯、魔芋葡甘聚糖等原料药生产企业达成投资办厂和合作开发的意向。目前,广西第一家魔芋葡甘聚糖精粉加工厂已动工兴建,预计年底可实现投产。

我市还积极引导和扶持企业加强品牌塑造与推广,提升中药材产品品牌知名度,成功打造了黄芩胶囊、重感灵胶囊、消炎利胆片、野木瓜片、强力枇杷露等品牌,产品畅销国内外市场。

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为规范管理中药材收购、加工、储运行为,确保产品质量,我市组建了贵港市中药材产业协会,把种植大户、中药材企业(合作社)纳入协会,建立健全行业管理制度,促进了中药材产业健康发展。目前,我市中药材产业涵盖穿心莲、肉桂、八角、山药、葛根、泽泻、天冬、艾草、藿香、佛手、魔芋等品种,全市单一品种种植面积超万亩的有肉桂、八角、山药、穿心莲、葛根、天冬等。其中,穿心莲4.2万亩,种植面积和产量均排全国第一;药食同源产品如肉桂、八角、山药、葛根、魔芋、牛大力、五指毛桃等,种植面积和产量均排在全广西前列。

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