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从0到1,中国科学家首次在实验室实现人工合成淀粉

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出品:科普中国

制作:李雷

监制:中国科学院计算机网络信息中心

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性进展,国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,相关工作于2021年9月24日发表于国际顶尖杂志《科学》。


淀粉是粮食的主要成分,难道说这项技术让“喝西北风”成为现实了?

突破二氧化碳人工合成淀粉技术,对未来会产生哪些影响,到底有多重要?

我们先来看看官方的评价:这是继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后,中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。


△图片来源:作者提供

这个合成最大的特点是:不使用细胞(cell-free)。在自然界中,通过光合作用,细胞可以将二氧化碳合成淀粉。


△图片来源:作者提供

但光合作用的问题是,必须要有叶绿体,对于地球上绝大多数生物来说,只有植物以及部分动物才能完成。

而这次研究的特点就是:纯工业/实验室合成。

这个研究的路线图如下


△图片来源:作者提供

简单的说一下,这个实验的做法是:

首先将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,然后将甲醇转化成为三碳,接下来再将三碳合成六碳,最后,聚合成为淀粉。

和标准天然淀粉对比,其结构基本一致。


无论是吸收峰,还是核磁共振信号,都佐证了这种合成和天然淀粉非常接近了

△图片来源:作者提供


△下图是合成的淀粉实物图 (中国科学院科技摄影联盟供图)

人工合成淀粉的意义有多大?

我们从小往大来说:

1.步骤简单

自然界中生物从二氧化碳合成淀粉,需要大约60个生化反应过程,且需要复杂的生理调节,而这次人工合成只需要11个步骤。

2.速度快,效率高

这次实验室合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

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

这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能,为从二氧化碳合成复杂分子开辟了新的技术路线。

此外,根据报道,这个合成效率也高。自然界合成淀粉的效率约为2%(玉米),而工业合成效率可以达到10%以上。

3.

民以食为天,一直以来,农业问题关乎人类的生死存亡。而采用这种合成办法,可以解决农业所需的耕地、淡水资源问题,也能够避免农药和化肥等的使用,改善粮食安全。

我国的耕地面积为150多万平方千米,占国土面积的16%左右,也就是说,不到五分之一。其余的国土面积都是不能作为耕地的,这也使得我国的粮食问题一直非常严峻。

有了这种技术,高山峡谷,沙漠,冰原,这些地方都可以成为农业产地。


△图片来源:veer图库

自古以来,我国的漕运体系,需要非常忙碌的转运粮食等物资,而有了这项技术,很多没有种植作物条件的地方也直接可以生产淀粉。

4.温室问题,全球变暖

全球变暖可以说是这些年来一直困扰全人类的问题。


△图片来源:作者提供

造成全球变暖的核心因素在于二氧化碳这种温室气体。

工业生产,汽车排放等等都是导致二氧化碳增多的因素,虽然植物一直在持续固定二氧化碳,但还是比不上二氧化碳的排放。


△图片来源:作者提供

有了这项技术,可以直接把二氧化碳固定下来,这效率比农业和植物快多了,那岂不是温室气体问题就可以解决了?

5.更遥远的未来

空间站,甚至走向宇宙有了保障。

过去我们预想中解决宇宙远行问题,有两种方案:一是携带足够多的粮食;其次是让人类进入冬眠来减少能量消耗。

但只要醒来,总需要粮食。

很多科幻都有外星人种田的场景,比如去火星种土豆的《火星救援》。


△图片来源:《火星救援》剧照

如果有了人工合成淀粉技术,那这些问题都可以得到很好的解决。甚至在不毛之地,只要有二氧化碳和相关材料,就可以直接合成淀粉。


△图片来源:作者提供

比如,火星大气主要是二氧化碳,比例高达96%,那简直是新的粮仓。

而且,二氧化碳本身还是人体代谢的废物,可以直接循环起来。

6,一个问题:能量!

淀粉到二氧化碳,是一个逐步放能的过程。


然后葡萄糖再变成二氧化碳


而这一步相当于逆流而上,必然需要能量。

那么,能量从何而来?

可能这就需要新能源,目前我国也在积极研发新能源,尤其是核能,希望50年能够实现可控核聚变。


△图片来源:作者提供

需要强调的是,目前的研究成果还处于实验室阶段,这项技术离应用还早。

但这项技术是从0到1的突破,重要性是不言而喻的。就像当初法拉第发现电磁感应现象的时候,曾有一个贵妇人质问他:“电有什么用呢?”

法拉第巧妙地反问道:“新生婴儿有什么用呢?”


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