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第二十屆上海國際淀粉及淀粉衍生物展覽會(huì )
2026年6月15-17日 國家會(huì )展中心(上海)
距2026年展會(huì )還剩
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2026年6月15-17日 國家會(huì )展中心(上海)
距2026年展會(huì )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，如何把二氧化碳轉化成對人類(lèi)有意義且有市場(chǎng)價(jià)值的物質(zhì)？ 人工合成淀粉項目便是其中一個(gè)嘗試。 中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所于2018年實(shí)現項目突破，之后不斷進(jìn)行技術(shù)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，并可根據需要實(shí)現不同類(lèi)型淀粉的定向可控合成。
天津空港經(jīng)濟區，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天津工業(yè)生物所”)內，研發(fā)人員喬婧正在重復每日的實(shí)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(shuō)明淀粉出現了!”回憶2018年的情景，喬婧依然激動(dòng)。
同樣激動(dòng)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(huì )議室一路奔回實(shí)驗室，設計了重復實(shí)驗。第二天，“淀粉藍”如期出現，“太好了!”蔡韜懸著(zhù)的心放了下來(lái)，笑容洋溢在臉上，身后的同事跟著(zhù)鼓掌歡呼。
2021年，人工合成淀粉團隊在國際刊物《科學(xué)》雜志上發(fā)表了結合人工光合反應和生物酶催化反應構筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系?！斑@是一項里程碑式的突破，將在下一代生物制造和農業(yè)生產(chǎn)中帶來(lái)變革性影響?！睂徃鍖?zhuān)家如此評價(jià)。
“當今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰，如何把二氧化碳轉化成對人類(lèi)有意義且有市場(chǎng)價(jià)值的物質(zhì)？”在出差回天津的高鐵上，這個(gè)念頭突然出現在天津工業(yè)生物所時(shí)任所長(cháng)馬延和的腦海中。經(jīng)過(guò)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(guān)任務(wù)邀請時(shí)，蔡韜既興奮又擔憂(yōu)，人工合成淀粉，理論上來(lái)說(shuō)可以實(shí)現，但此前沒(méi)有成功案例，“我們想挑戰一下別人沒(méi)做成的事”。在自然界，玉米、小麥、土豆等農作物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)光能、二氧化碳和水轉化成淀粉。但這個(gè)自然過(guò)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(guò)程，通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現人工合成淀粉？
“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(jiǎn)單化合物，進(jìn)一步通過(guò)酶催化簡(jiǎn)單化合物聚合生成淀粉?！辈添w說(shuō)，人工合成淀粉，是一場(chǎng)尋找“捷徑”的實(shí)驗。
在農作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應。如果要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，就必須簡(jiǎn)化步驟。蔡韜和團隊與所內擅長(cháng)生物設計的團隊合作，從6568個(gè)生化反應中進(jìn)行系統挖掘和篩選，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(guò)9個(gè)主反應就能合成淀粉?！安綌翟缴?，問(wèn)題就越少?！辈添w說(shuō)。實(shí)驗一做就是3年，光是實(shí)驗記錄就摞了半人高，團隊成員的心情也跟著(zhù)實(shí)驗過(guò)程不斷起伏。
“這只是人工合成淀粉1.0版本”
問(wèn)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，弄清癥結才能解決問(wèn)題?！辈添w說(shuō)，實(shí)驗最突出的問(wèn)題是“酶”。
淀粉合成過(guò)程中多數反應都需要酶，自然界中的反應路徑通過(guò)長(cháng)期自然選擇進(jìn)化而成，各個(gè)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(gè)酶往往能催化多個(gè)反應，可能會(huì )帶來(lái)副作用；有時(shí)會(huì )出現多個(gè)酶競爭一個(gè)底物，還有的酶會(huì )產(chǎn)生多種產(chǎn)物?！睘檎{和酶之間的“矛盾”，蔡韜找到所里專(zhuān)門(mén)研究酶的團隊，一起對酶進(jìn)行定向改造或人工設計新酶，來(lái)滿(mǎn)足淀粉合成人工路徑對酶的需要。
討論、實(shí)驗、推翻、再討論、再實(shí)驗……團隊嘗試利用甲醇中“氫燃燒”產(chǎn)生的能量驅動(dòng)產(chǎn)生甲醛的反應，解決反應中的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)不匹配的問(wèn)題，9個(gè)主反應也相應被拓展到11個(gè)。科學(xué)的積累是漫長(cháng)的，但突破有時(shí)只是一個(gè)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(kāi)后，蔡韜看到了那一抹夢(mèng)寐以求的“藍”。這幾年團隊完成了人工合成淀粉技術(shù)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，并可根據需要實(shí)現不同類(lèi)型淀粉的定向可控合成。在蔡韜看來(lái)，科研的最大成功是能夠落地應用，幫助增進(jìn)社會(huì )福祉，“接下來(lái)，我們將加快讓科研成果從實(shí)驗室走向產(chǎn)業(yè)化應用的速度，讓技術(shù)造物繪就科技惠民新圖景?！辈添w說(shuō)。
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本文來(lái)源：人民網(wǎng)
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