生物反應器助力人工合成淀粉
中國科學(xué)院天津生物技術(shù)研究所人工淀粉合成方面取得重大突破性進(jìn)展，國際上首次在實(shí)驗室實(shí)現從二氧化碳到淀粉的全合成。成果在國際級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。
淀粉在我們日常生活中扮演什么樣的角色呢？
淀粉是重要的生命能量來(lái)源，也是重要的工業(yè)原料，目前人類(lèi)能夠使用的淀粉有來(lái)自植物的光合作用固定二氧化碳產(chǎn)生，農作物種植通常需要較長(cháng)周期，還需要使用大量的土地、淡水資源以及肥料、農藥等農業(yè)生產(chǎn)資料；農作物將二氧化碳轉化為淀粉需要60多步復雜的生化反應，理論能量轉化效率僅2%。
通過(guò)生物反應器就可以完成二氧化碳到淀粉的全合成？
盡管有很多商業(yè)化設備，但大多數都缺乏開(kāi)源解決方案的靈活性。關(guān)于改造某些成熟設備與用更現代的版本替換它是否明智的爭論由來(lái)已久。然而，這種改造大多被認為是設備更換的最后手段，因為通常在設計工廠(chǎng)時(shí)要計劃大約20 年或更長(cháng)時(shí)間。此外，更改設備或設備部件而導致的過(guò)程可變性可能從經(jīng)濟上考慮是不可行的。
生物工藝領(lǐng)域精通識別與生化過(guò)程相關(guān)的“健康”問(wèn)題，以及在生產(chǎn)和操作的所有階段實(shí)施嚴格的質(zhì)量控制方法。對生物制劑及其制品進(jìn)行嚴格監管，確保從業(yè)人員的安全。例如，在生產(chǎn)工廠(chǎng)中制備灌流培養基時(shí)，3D滾筒中可能會(huì )發(fā)生事故，例如葉輪撞擊滾筒導致其破裂，導致整個(gè)培養基溢出，或者在培養基過(guò)濾過(guò)程中，如果過(guò)濾器孔徑大小不正確或者過(guò)濾系統沒(méi)有正確連接，培養基有可能?chē)姙R，并可能產(chǎn)生巨大的健康和經(jīng)濟影響。從工藝控制系統的用戶(hù)的角度來(lái)看，準備采取的措施分為以下兩大類(lèi)：
預防性安全保證活動(dòng) (PSAA)，包括安全計劃分類(lèi)、測試和檢查計劃、質(zhì)量保證、預防性維護、培訓、程序和人為因素開(kāi)發(fā)，基于系統、結構、部件和人為行為的安全重要性排序算法(SSCH)。
就授權的配置修改、制定技術(shù)規范和在線(xiàn)監控風(fēng)險做出監管決策。
臨界性一詞在風(fēng)險評估以及臨界性的累積效應中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用�；陲L(fēng)險和成本的優(yōu)化，過(guò)程中參數的關(guān)鍵性和關(guān)鍵性總和具有優(yōu)勢。已經(jīng)觀(guān)察到，根據關(guān)鍵程度對預防活動(dòng)進(jìn)行評級可使預防活動(dòng)的總負荷較低，而風(fēng)險會(huì )最小化或保持不變。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所團隊提出化學(xué)催化與生物催化耦合的方法成功搭建出二氧化碳到淀粉合成只需要11步的反應的人工合成途徑。使用生物反應器在實(shí)驗室只需要幾個(gè)小時(shí)就可以完成農作物需要幾個(gè)月的合成過(guò)程；人工合成淀粉的效率約為傳統農作物合成淀粉效率的8.5倍，經(jīng)核磁共振等檢測方法發(fā)現人工合成淀粉和天然淀粉分子結構組成一致。在充足能量供給的條件下，按照目前的合成方法，1立方米大小的生物反應器合成淀粉的年產(chǎn)量相當于我國五畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。
利用二氧化碳經(jīng)過(guò)11步化學(xué)催化與生物催化耦合將二氧化碳合成淀粉，這完全是從0到1的新突破， 該技術(shù)目前還處于實(shí)驗階段，一旦成熟并投入工業(yè)生產(chǎn)后，將會(huì )節約90%以上的耕地和淡水資源，這對實(shí)現糧食可持續生產(chǎn)、二氧化碳轉化利用，應對氣候變化和糧食危機等國際難題有重大意義。
