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“利用合成生物學的途徑，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?！?月19日，在上海舉行的“好望角科學沙龍”合成生物學專場活動上，中國科學院天津工業(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，將在未來重塑生物制造與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的格局。

合成生物學的概念起源于1911年，法國物理化學家斯特凡·勒迪克受合成有機化學啟發(fā)，首創(chuàng)“合成生物學”一詞。這是一個涉及生物學、基因組學、工程學和信息學的交叉學科，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“認識生命”到“設(shè)計生命”的跨越，合成生物學又被譽為“第三次生物技術(shù)革命”。

人工合成淀粉是合成生物學領(lǐng)域的里程碑式進展。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》在線發(fā)表了馬延和團隊的研究成果——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)步驟多而代謝復雜，很多生理調(diào)控的問題和機制都沒有搞清楚?！瘪R延和表示，團隊從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，解決了熱力學匹配、代謝流平衡等世界級難題，最終成功合成了淀粉。

馬延和在沙龍上作報告

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)的最新進展。他表示，團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?！?

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

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

科學沙龍圓桌討論環(huán)節(jié)

據(jù)上海合成生物學創(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27%，預計未來將持續(xù)增長，并在2028年達到近500億美元。

合成生物學全球市場規(guī)模

“好望角科學沙龍”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。