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CO₂直接合成淀粉,中国科学家颠覆性突破:1立方米反应器顶5亩地

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机器之心报道

机器之心编辑部

以后「喝西北风」可能不是玩笑话了。

这是一个颠覆性的研究成果:人类首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成的技术突破。不需要种地,也不需要水培舱,只需要二氧化碳和氢气互相进行化学反应。

据介绍,这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍,向设计自然的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础,也将为未来从二氧化碳合成淀粉开辟了崭新道路,使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。

淀粉是由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成的聚合碳水化合物,是人类饮食的主要成分、重要的能量来源,广泛存在于马铃薯、小麦、玉米、大米、木薯等主食中。

它也是一种被广泛应用的工业原料,被用于造纸、服装、塑料等领域。目前人们主要通过玉米、小麦、红薯等农作物通过光合作用固定二氧化碳生产淀粉。在植物体内,这个过程涉及大约 60 步生化反应、复杂的生理调节,理论上总体能量转换效率在 2% 左右。


为克服粮食危机、耕地面积减少和气候变化等人类面临的重大挑战,我们需要制定可持续供应淀粉和使用二氧化碳的战略,设计除植物光合作用之外的新途径将二氧化碳转化为淀粉。这是一项重要的科技创新任务,将成为当今世界的重大颠覆性技术。

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。相关成果刚刚在国际顶级期刊《科学》杂志上发表。


论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

天津工业生物所联合中科院大连化学物理研究所的研究者设计了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线仅涉及 11 步核心生化反应,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。

这也意味着,我们所需要的淀粉,今后可以将二氧化碳作为原料,通过类似酿造啤酒的过程,在生产车间中制造出来。」天津工业生物所所长马延和表示。

研究者创建的新路线是通过「搭积木」的方式建立的,他们整合了化学和生物的催化模块,以生物技术创新的方式利用了高密度能量和高浓度二氧化碳。研究人员解决了底物竞争、产物抑制和热力学适应等问题,使用空间和时间分隔系统地优化了这种混合系统。


人工合成淀粉的路线图。

简单说来,这个方法的流程是:首先把二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,再将甲醇转换为三碳,使用三碳合成为六碳,最后聚合成为淀粉。


从吸收光谱分析、核磁共振信号上来看,人工合成的淀粉和天然淀粉非常接近。

研究者表示,该研究主要有三大亮点:

  • 能量转化效率提升 3.5 倍,突破了自然光合固碳系统利用太阳能的局限。为了设计超越自然能力的固碳淀粉合成途径,研究人员提出了将化学与生物催化相融合的方案,从约 7000 个生化反应中构建形成只有 11 步主反应的固碳淀粉人工合成途径,将理论能量转化效率提升 3.5 倍,使高效固定二氧化碳、高效合成淀粉成为可能。
  • 从 60 多步到 11 步,突破自然界淀粉合成的复杂调控障碍。在计算设计的人工途径中,生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。科研团队从动物、植物、微生物等 31 个不同物种来源,挖掘合适的生物酶催化剂,构建了一条只有 11 步反应的人工淀粉合成途径,与自然界淀粉合成需要的 60 多个步骤相比,显著降低了合成的复杂度。
  • 突破了天然淀粉合成时空效率不高的限制。由于缺少自然途径上亿年的进化过程,人工途径中来源于不同物种的生物酶催化剂间存在难以适配的问题。针对这个问题,研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略,解决了人工途径中底物竞争产物抑制等问题,最终获得了淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径。


人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装。

通过人工合成的方式直接高效地将二氧化碳转化为淀粉,意味着我们向超越自然农业的方向迈出了一大步。新研究为创建具有前所未有功能的生物系统提供了科学基础。

按照目前的技术参数,在能量供给充足的条件下,1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于 5 亩土地的玉米淀粉年平均产量,为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。如果未来该系统过程的成本能够降低到具有经济可行性,将可能节约 90% 以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的影响。」论文一作蔡韬表示。


该研究的通讯作者马延和说:「如果未来该过程的总体成本能够降低到经济上可与农业种植相媲美的水平,预计将节省 90% 以上的耕地和淡水资源。」

业内评价

该研究在学术界引发了人们的关注和讨论。

中国科学院院士、中科院副院长周琪表示,二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成,是应对全球挑战的重大科技问题之一。中科院天津工业生物技术研究所创新科研组织模式与合作研究团队进行联合攻关,按照工程化原理,利用生物计算技术,设计构建出非自然的二氧化碳固定还原与淀粉合成新路径,在实验室国际上首次实现从二氧化碳到淀粉的从头全合成,使淀粉生产的传统农业种植模式,向工业车间生产模式转变成为可能

《科学》杂志新闻部执行主任梅根 · 菲兰认为,最新成果论文讨论了一种全新的人工合成淀粉(常见的植物碳水化合物)的方法。这个合成过程涉及二氧化碳和氢气的使用,该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线

中国工程院院士、江南大学原校长陈坚说,这项研究成果是通过化学与生物的方法相结合,主要采用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术,从二氧化碳直接合成淀粉,完全颠覆了传统的淀粉生产方式。马延和团队这个工作是典型的从「0 到 1」的原创性成果,不仅对未来农业生产特别是粮食生产具有革命性影响,而且对全球生物制造产业发展也有里程碑意义。「以二氧化碳为原料人工合成淀粉是利用合成生物学解决当今社会面临的若干重大挑战的惊人案例。」

美国工程院院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯 · 尼尔森表示,马延和教授及其团队利用不同种类的酶组成的重组酶系统,将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉,这是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例,「这次重大突破将会为日后更多相关研究铺平道路,这些研究的整合和应用将有助于解决我们未来面临的重大挑战」。

日本神户大学副校长兼教授、日本理化研究所可持续资源科学中心副主任近藤昭彦教授说,马延和教授及其团队在二氧化碳转化合成淀粉方面取得重大突破的这项研究成果非同凡响,「不依赖光合作用从二氧化碳到淀粉的合成无疑是我们长期追求的梦想,我们可以利用合成的淀粉生产各种各样的材料和食品,因此,这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响」。「众所周知,将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战。」


该研究第一作者,中科院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员。

研究团队介绍

本文一作蔡韬是中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员,主要研究 LysR 家族转录调控蛋白调控机理的研究及应用。他 2009 年在南京农业大学获得博士学位,后赴美国宾夕法尼亚大学医学院学习,2012 年到天津工业生物所工作。

本文通讯作者马延和是中国科学院天津工业生物技术研究所所长,主要研究极端微生物的认识与利用,包括极端环境的微生物区系生态与生物多样性、极端微生物生理机制与功能多样性、极端微生物特殊功能与产物的开发和利用。他 2005 年在江南大学取得博士学位,2018 年开始担任天津工业生物技术研究所所长,曾获国家科学技术发明二等奖、中科院发明奖等荣誉。

从左至右: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。图源:新华社。

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https://phys.org/news/2021-09-chinese-scientists-starch-synthesis-carbon.html

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