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用空气做馒头?我国首次实现二氧化碳人工合成淀粉

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北京时间9月24日凌晨,中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队的科研成果发表于国际权威学术期刊《科学》,首次实现了利用二氧化碳人工合成淀粉,取得了国际意义上的突破性进展。


研究成果发表于学术期刊《科学》| www.science.org

好家伙,把二氧化碳直接变成淀粉,四舍五入是不是空气直接就能变出晚饭了?这项神奇的新技术,到底是怎么实现的?

研究者做了什么?

研究者最关键的工作,在于设计了一条全新的人工合成路线。它只需要11步核心生化反应,就可以完成从二氧化碳到淀粉的转化。

反应路线的设计从理论计算开始,研究者以甲酸(或甲醇)作为起始反应物,通过计算机分析起草了可能的反应路线。这听起来似乎轻松,但此后的调试和优化才是真正困难的部分。因为即使是理论上可行的反应路径,在现实中也常会遇到许多不可预料的问题(例如不同催化酶的难以适配),导致实验失败。

为了解决这些问题,研究者将整个淀粉转化的过程拆分成了四个模块,并将这些模块逐一进行优化。他们在31种生物体62个催化酶里筛选出了10种,去参与11种最优转化反应,使得每一步都最有效、最高产。这样一来,他们就得到了人工淀粉合成路径的1.0版本。在后续的研究中,作者们又对初始版本进行了改进,利用各种工程修饰的酶提升反应的转化率,由此得到了2.0版本的反应路径。


马延和团队设计的淀粉合成路径,看不懂就对了| Cai et al., Science 373, 1523–1527 (2021)

在此之后,研究者又在反应路径的前面加上了关键的步骤:让本文主角二氧化碳与氢气结合变成甲醇。这样一来,就实现了从二氧化碳转化到淀粉的全过程。

这一步反应使用了氧化锌-氧化锆的无机催化剂,在高温高压的环境下进行。加上这一步骤,并改进了底物竞争等一些问题,就形成了反应路径的3.0版本。最后,通过更换路径中的部分反应酶,作者还可以可控地产出直链淀粉或者支链淀粉,而这也是他们目前的最新版本(ASAP 3.1)。


人工合成的淀粉产物|央视网

经过研究者的努力,最终版本的产率比1.0版本提升了将近一百倍,同时,它合成淀粉的速率也达到了玉米的约8.5倍。理论上说,1立方米的生物反应器每年可以生产相当于五亩玉米地年产量的淀粉


马延和介绍研究成果|新华社

能量从哪儿来?

虽然和植物反应途径不同,不过在这里研究者也利用了太阳能——确切地说,是首先利用太阳能发电,然后利用电能制氢,再将氢气用于合成反应。除此之外,人们还需要一些额外的能量用于维持第一步反应的高温高压环境,以及用来获取反应所需的酶。

那么,现在可以

用空气造粮食了吗?

这是不是意味着我们可以不需要依赖农耕,直接用空气制造粮食和工业原料,真正实现“西北风喝到饱”呢?

这么说还为时尚早。在这项研究中,人工合成淀粉的速率是自然渠道玉米淀粉合成速率的8.5倍,确实为实现高效的工业化淀粉生产提供了可能性。但是,作为实验室产出的初步成果,还需要科学家们持续的优化和推动,才能让这项技术走出实验室,投入实际应用。

只有人工合成淀粉的经济可行性能与传统农业生产比肩甚至更高,才有可能让工业车间生产模式完全取代植物原料的提取,节约耕地和淡水资源的同时,降低人类生产对地球环境造成的负面影响


人工合成淀粉效率高于农业生产|央视网

不过,这一技术确实为捕集利用封存提供了全新的循环方案。让排放在空气中的碳回到生产生活的循环中,不仅可以回收利用二氧化碳,还能生产人类赖以生存的食粮,可谓一石二鸟,从而大大促进了低碳生物经济发展,为全球碳达峰、碳中和目标起到重大的支撑作用。

将来,我们说不定也能到火星之类的地方收集大气二氧化碳,并解决太空探索的温饱问题。


或许殖民火星都不需要再种土豆了|电影《火星救援》

这项研究还为复杂分子人工定向合成打开了大门。

2019年,美国加州大学伯克利分校的华人科学家杨培东团队潜心钻研人工光合作用,成功在实验室中将二氧化碳不定向转化为多种简单糖类化合物,而此次马延和团队则具有创新性地创建了人工产出复杂碳水化合物的路径和技术


下一次,被合成出来的会是什么呢?

参考文献

[1]Cai et al., Science 373, 1523–1527 (2021)

[2]Wang et al., Sci. Adv. 3, e1701290 (2017)

[3]https://news.cctv.com/2021/09/24/ARTI3OxSZczVBdMJatgE8rFI210924.shtml

[4]www.cas.cn/cm/202109/t20210924_4806819.shtml?from=timeline

[5]https://chemistry.berkeley.edu/news/peidong-yangs-lab-awarded-co2-challenge-grant-nasa

一个AI

这算精制碳水吗?

作者:Silas、Mie、岸边的白鹳

编辑:窗敲雨




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