本文作者:理财投资网

重大突破刷屏!中国实现二氧化碳合成淀粉 背后的合成生物技术什么来头?

理财投资网 2021-09-24 22:13

  重大突破!我国科学家首次实现

  据新华社消息,以二氧化碳为原料,不依赖植物光合作用,直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕,真实地发生在实验室里。我国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,相关成果北京时间24日由国际知名学术期刊《科学》在线发表。

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  ▲在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室,科研人员展示人工合成淀粉样品(9月16日摄)。新华社记者金立旺摄

  淀粉是粮食最主要的成分,通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累,涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。人工合成淀粉是科技领域一个重大课题。此前,多国科学家积极探索,但一直未取得实质性重要突破。

  中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

  实验室初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,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亩玉米地的年产淀粉量。

  马延和介绍,此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径,并使其工作效率大幅高于自然生物过程,跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破,为淀粉的车间生产打开一扇窗口,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

  对于此次成果,德国科学院院士曼弗雷德雷兹、美国工程院院士延斯尼尔森等国际知名专家均给予高度评价,认为这一重大突破将该领域研究向前推进了一大步。

  中科院副院长周琪说,成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有距离,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

  据了解,经科技部批准,天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标,一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题,另一方面要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

  合成生物技术发展态势迅猛

  据《科技日报》报道,合成生物技术是对天然或人工生物元器件进行设计组合,获得重构或非天然的新生命系统的技术,即有目的的设计、改造乃至重新合成生命体,包括设计构建新型人工生物元器件、人工基因组、人工细胞等,是典型的生物学与工程学、信息学、材料学等多学科交叉融合的新兴技术,广泛应用于生物制造、生物医药、农业、资源环境等领域。

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  ▲中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品(9月16日摄)。新华社记者金立旺摄

  科学家们认为,合成生物技术突破了生命发生与进化的自然法则,推动了生命科学由解读生命到编写生命的跨越。麦肯锡咨询公司将该技术评价为未来的十二大颠覆性技术之一;2014年,美国国防部将其列为21世纪优先发展的六大颠覆性技术之一;英国商业创新技能部将合成生物技术列为未来的八大技术之一;我国在2014年完成的第三次技术预测中,将合成生物技术列为十大重大突破类技术之一。

  如今,在生物制造方面,合成生物技术已经成为绿色生物制造产业高速发展的引擎。利用合成生物技术改变传统的工业生产方式,将减少对自然资源的依赖,以更小的环境代价获得高经济产出,破解资源、能源、健康、环境、安全等重大难题。比如,美国杜邦公司曾构建人工细胞工厂生产重大化学品,能耗和温室气体排放均降低40%;美国科学家曾成功构建人工细胞工厂生产青蒿素,100立方米工业发酵罐的产能就相当于5万亩的农业种植,大幅降低了生产成本和对自然资源的依赖。

  未来,通过基因组设计合成的研究,还能够进一步深入认识基因组对生命的调控机制,从而为新型生物学治疗方法、疫苗、材料、疾病控制和营养学等方面的基础性研究提供强有力的支撑,在生命科学领域,可望构建超安全细胞、修复癌症细胞基因组、抵抗衰老等,实现对现有健康产业的颠覆,快速形成以基因组合成带动的新型生物产业,尤其是针对重大复杂疾病,有望形成万亿级医疗健康产业和千亿级企业的新业态。

  中国从跟跑到整体“并跑”、部分“领跑”

  相较于2002年美国就开启了DNA寡聚物合成基因组时代,我国在基因组设计合成领域起步较晚,在前期的病毒和原核生物基因组合成方面,基本没有中国科学家的声音。

  但自2006年合成生物技术研究被列入国家863计划开始,在国家顶层设计和地方的共同布局规划下,我国在该领域形成了一系列人工合成的突破性技术和成果。

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  ▲网友为我国科学技术重大突破点赞。截图自微博

  中国工程科技创新战略院医药卫生课题组研究报告认为,具体而言,我国合成生物技术近年来发展亮点纷呈。

  一是资助力度持续加大。

  国家自然科学基金委员会对合成生物学领域的资助始于2007年,至2016年已资助合成生物学相关项目121项,共计经费1.2亿元。在面上项目和创新研究群体项目中,均已投入3000万~4000万元的资助。重点项目和国际(地区)合作与交流项目资助金额均已超过1000万元。

  在973项目和863项目的支持下,主要开展的研究涉及微生物制造、肿瘤治疗和植物改造等。这些项目目前都取得了显著进展,达到国际领先或首创水平,完成产业转型变革。

  二是论文与专利发表数量日益增加。

  我国合成生物学论文的迅速增长期始于2010年,主要源于973和863等重大研究计划从2010年开始相继支持合成生物学研究。同时以“合成生物学”为主题的首届“中德前沿探索圆桌会议”2010年在中国科学院上海生命科学研究院开幕,标志着中国的合成生物学研究开始步入国际轨道。

  在国家知识产权局的专利检索平台通过检索、人工判读的方式获得在我国国家知识产权局申请的合成生物学相关专利963件,1987年国家知识产权局开始受理合成生物学专利申请,之后专利申请数量缓慢增长,到2013年,专利申请数量已经达到114件。

  三是研究成果形成突破性进展。

  此前,我国科学家人工合成了16条真核生物酿酒酵母染色体中的4条,占国际已完成数量的66.7%。这意味着我国成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家,这不仅使我国在该领域形成了一系列人工合成的突破性技术和成果,也使我国进入了国际合成生物技术领域的第一梯队。

  此外,我国在该领域初步建立起合成生物技术的创新体系,在一些核心关键技术上进行突破,培育形成相关的合成生物技术产业,由“跟跑”阶段进入整体“并跑”、部分“领跑”突破阶段。

  完善基础研究与产业化发展顶层设计

  未来,国际合成生物领域的目标,将是多细胞生物的化学再造以及在各个领域的应用。相关领域专家建议,相应地,我国需提前进行科学顶层布局,完善基础研究与产品研发创新相关体系,同步推进基础研究和产业化应用,创造科研与产业发展环境,占领新兴产业制高点。

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  ▲科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理(从左至右)在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影(9月16日摄)。新华社记者金立旺摄

  具体而言,中国工程科技创新战略院医药卫生课题组相关研究报告提出:

  一是从基础研究到产品研发的全链条创新布局。

  我国在合成生物学的基础研究方面取得重要突破,但合成生物学产品研发能力仍有待提高。不同于国际上大型生物公司作为专利和产品的研发主体,我国在该领域技术研究主要由高校和科研院所完成,企业投入力度不足,一定程度上造成了基础研究和产品研发之间的脱节。建议在关注实验室研究的同时,鼓励生物企业加大科研投资力度,促进科研成果向产业产品的转化。

  二是完善的基础研究与产品研发监管体系。

  科学进展往往快于政策制定,同时合成生物学的界限也在不断变化,因此应关注与合成生物学治理和监管相关的问题,建议政府尽快推动制定合成生物学实验安全技术导则,梳理和完善已有的法律法规。针对合成生物的安全性建立健全的、规范的技术指南和国家层面的安全法规以及监管体系,建立从宏观政策到法律法规和标准规范的全面管理体系,从研究与应用两方面加强对合成生物学技术的监管。

  三是健全的风险评估制度与科学家自律机制。

  提倡建立政府监管下的合成生物学家自律机制,鼓励成立相关的行业协会或科学家组织,订立规则和标准进行风险评估。对于任何合成生物相关的基础研究和产品研发必须满足规定的安全要求和遵守严格的安全程序。建议设立合成生物安全性评估机构,建立完善系统的评估制度,引导社会认识合成生物的两面性。

  四是促进合成生物学技术包容性发展的良好环境。

  合成生物学是交叉性学科,既产生于多个学科,又回馈于这些学科。持续包容对于合成生物学的持续发展十分重要。一方面,建议与产业界、监管和政策制定机构交流合作,使技术推动与市场拉动相结合。另一方面,建议引导更多的公众参与合成生物学对话,了解其可能存在的内在风险,讨论有关的生物安全和伦理问题。

(文章来源:财经国家周刊)

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