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“利用合成生物學(xué)的途徑，用1立方米大小的生物反應(yīng)器生產(chǎn)的淀粉量，就能與5畝土地種植出來的玉米相當(dāng)。”9月19日，在上海舉行的“好望角科學(xué)沙龍”合成生物學(xué)專場活動上，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所創(chuàng)始所長馬延和表示，人工合成淀粉的突破使不依賴土地、淡水等農(nóng)業(yè)資源的淀粉車間制造成為可能，將重塑生物制造與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的格局。

合成生物學(xué)的概念起源于1911年，法國物理化學(xué)家斯特凡·勒迪克受合成有機(jī)化學(xué)啟發(fā)，首創(chuàng)“合成生物學(xué)”一詞。這是一個涉及生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)和信息學(xué)的交叉學(xué)科，通過工程化原理，有目的地設(shè)計生物系統(tǒng)甚至創(chuàng)造新生命。因其實現(xiàn)了從“認(rèn)識生命”到“設(shè)計生命”的跨越，合成生物學(xué)又被譽(yù)為“第三次生物技術(shù)革命”。

人工合成淀粉是合成生物學(xué)領(lǐng)域的里程碑式進(jìn)展。在自然條件下，植物利用低密度太陽能和空氣低濃度二氧化碳，通過光合作用產(chǎn)生淀粉，整個過程不僅周期長達(dá)數(shù)個月，并且能量的轉(zhuǎn)化效率極低，只有1%左右。

2021年9月，國際權(quán)威期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了馬延和團(tuán)隊的研究成果——采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

這是國際上第一次不需要依賴植物光合作用，而是采用人工手段，將自然的代謝過程重新拆解、組裝，以二氧化碳、水和氫能為原料，在實驗室生產(chǎn)出了淀粉，讓科幻小說中的“空氣變饅頭”從幻想變?yōu)楝F(xiàn)實。

“淀粉合成是一個能量輸入過程，生化反應(yīng)步驟多而代謝復(fù)雜，很多生理調(diào)控的問題和機(jī)制都沒有搞清楚?！瘪R延和表示，團(tuán)隊從6568種生化反應(yīng)中篩選出最優(yōu)路徑，通過定向改造酶分子、創(chuàng)建非自然人工酶，解決了熱力學(xué)匹配、代謝流平衡等世界級難題，最終成功合成了淀粉。

本期活動上，馬延和在主題演講《空氣變饅頭：從實驗室走向未來生活》中分享了這一技術(shù)的最新進(jìn)展。他表示，團(tuán)隊將淀粉人工合成的途徑優(yōu)化、整合到3.0的版本。與玉米合成淀粉相比，人工合成淀粉的能量轉(zhuǎn)換效率提升了3.5倍，淀粉的合成速度提升了8.5倍，把此前2—3個月的自然淀粉合成時間縮短到數(shù)天。“這意味著未來淀粉生產(chǎn)可脫離農(nóng)業(yè)種植，實現(xiàn)工業(yè)化的車間制造，讓人類有了太空生存的能力?！?/p>

“人工智能技術(shù)的發(fā)展，大大推動了合成生物學(xué)‘理性設(shè)計’的進(jìn)程?！瘪R延和在分享中還強(qiáng)調(diào)了AI技術(shù)對于合成生物學(xué)的重要性，并表示隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，合成生物學(xué)目前已拓展至蔗糖、己糖、生物可降解材料等多碳復(fù)雜分子的合成，為食品、能源、醫(yī)藥行業(yè)提供全新解決方案。

據(jù)上海合成生物學(xué)創(chuàng)新中心和波士頓咨詢公司共同發(fā)布的《中國合成生物產(chǎn)業(yè)白皮書 2024》顯示，全球合成生物學(xué)市場規(guī)模從2018年的53億美元增長到2023年的超過170億美元，平均年增長率達(dá)27%，預(yù)計未來將持續(xù)增長，并在2028年達(dá)到近500億美元。

合成生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者、科技企業(yè)創(chuàng)始人、知名投資機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人等100余人共同參與了本期沙龍活動。在圓桌討論環(huán)節(jié)，馬延和與中國科學(xué)院過程工程所研究員邢建民、上海合成生物學(xué)創(chuàng)新中心副院長付小龍，以及合成生物學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的科創(chuàng)企業(yè)代表，就合成生物學(xué)的技術(shù)進(jìn)展和商業(yè)化前景等進(jìn)行深入討論。

“好望角科學(xué)沙龍”由中科創(chuàng)星發(fā)起，由中科創(chuàng)星、東壁科技數(shù)據(jù)、上海市研發(fā)公共服務(wù)平臺管理中心共同主辦，致力于打造具有廣泛影響力的科創(chuàng)融合與跨界交流平臺。

（主辦方供圖）