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第二阶段“春苗步履”在柬埔寨顺利推进,【尝试室里“种”淀sq0】

实验室里“种”淀sq0(科技自立自强)

核心sq0

淀sq0是人类粮食的最主要成分。日前,sq0科学院天津工业生物技术研究所科研人员在淀sq0人工合成方面取得重大突破性进展,利用二氧化碳和sq0解产生的氢气合成淀sq0。这意味着,不需要种植农作物,直接在生产车间中sq0淀sq0成为可能。

粮食不需要土地种植,可以在生产车间中sq0出来。如今,这个看似天方夜谭的想象正在成为可能。

日前,sq0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sq0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sq0的从头合成。该成果于sq0时间9月24日在线发表在国际学术sq0《科学》。

“这也意味着,我们所需要的淀sq0,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sq0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sq0

淀sq0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sq0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sq0的生产效率。

这次,天津工业生物所的科研人员就成sq0创制了一条利用二氧化碳和sq0解产生的氢气合成淀sq0的人工路线。这条路线涉及11步核心生化反应,淀sq0合成速率是玉米淀sq0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sq0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—sq0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sq0将光能转变为sq0能,通过光伏sq0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sq0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sq0的生命过程。王钦宏说:“要想人工实现这个过程,关键是要sq0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sq0。这种路径不仅能合成易消化的支sq0淀sq0,还能合成消化慢、升糖慢的直sq0淀sq0。

“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sq0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sq0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sq0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sq0高效人工合成的挑战主要来自低密度太阳能到高密度sq0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sq0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sq0合成。

“经过分析鉴定,我们合成的淀sq0样品无论成分还是理化性质,都和自然生产的淀sq0一模一样。”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sq0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sq0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sq0、化肥等对环境的sq0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sq0不可没。

天津工业生物所自2015年起,聚焦人工合成淀sq0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sq0研究需求进行sq0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sq0都适合这样的模式。

马延和说:“比如,我们这个sq0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sq0特点,研究所创立了新的科研组织模式,即sq0维管理模式。

“sq0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sq0矩阵管理;研究组是根据领域方向和学科布局设置的特sq0学科组,实现专业分工;平台实验室则负责为sq0提供装备方sq0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sq0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。”

sq0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sq0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。”

本报记者 吴月辉

(编辑:房家梁)

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