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用二氧化碳合成淀粉?中国科学家今天靠这技术霸榜了科技圈

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今天知乎的科技热榜被一则消息给霸屏了,内容是我国科学家成功用二氧化碳人工合成了淀粉。


话说二氧化碳淀粉这两个词我们天天都听,但估计你怎么都不会想到,温室气体的罪魁祸首竟然能合成出我们每天都吃进肚子里的淀粉?

相信大家都会疑惑,这事到底真的假的?他们是咋做到的 ?

首先,这事绝对靠谱,而且是世界人工合成淀粉领域的原创性、颠覆性的突破。


并且在今天凌晨,这个研究成果已经被刊登在顶级科学期刊《 Science 》上,该期刊的学术出版合作总监称:人工合成淀粉,是生物合成、生物制造领域的一个重大的历史性突破。

所以,咱今天就来聊聊为什么我们要花六年时间来钻研人工淀粉合成技术,而且这技术到底牛逼在哪?


淀粉大家都不陌生,我们平时吃的米饭、玉米、大米等谷物中,最重要也是最基本的物质就是淀粉,它可以分解成糖类,为人体补充能量。

其次,淀粉还是重要的工业原料,是造纸、制作塑料等许多日用品的原始材料。

但我们的淀粉都是从哪来的呢?几乎全部依赖于植物的光合作用。


主要是通过玉米、小麦、红薯等农作物通过光合作用产生淀粉,并且这个过程相当复杂。

植物们只能利用空气中低浓度的二氧化碳( 0.04% )、低能量密度的太阳能,并且需要 3 - 4 个月的生长周期,而且合成路径十分复杂,需要经过六十多道工序才能产生淀粉。

所以天然光合作用的生产效率是极低,自然界中植物的光合作用,理论的能量转化率仅为 2% 左右。


本来依靠天然光合作用的淀粉产量就贼低,现在还面临着耕地不断减少的情况。

拿我们国家来说,我们的耕地面积仅有 150 万平方千米,占国土面积的 16%,沙漠、海洋湖泊占了不少地方,压根就种不了地。

就算放眼全球,在亚非拉美等国家,粮食问题一直都很严峻。


人工合成淀粉是个解决这一难题的新希望。

我们再回头看另一个主角二氧化碳,聊它必然离不开的就是全球变暖。

先不说什么尾气排放、工业生产带来的碳排放有多大,大家每天也看得见摸得着。

我们拿 2019 年巴西境内的那场亚马逊雨林大火来说。


大火之前的 20 年里,整个亚马逊雨林每年为地球减少 17 亿吨的二氧化碳排放量,然而单是因为 2019 年的那场大火,亚马逊雨林就已经排放了超过 36 亿吨二氧化碳。

这 36 亿吨,放到 2018 年就是全球碳排放总和的十分之一。

并且因为二氧化碳的过度排放,在过去 100 年里,全球气温已经上升了 0.85 摄氏度,海平面上升了 1.5 米。


专家预测,如果二氧化碳排放量再不加以控制,到了 2500 年,仅南极冰川融化就能使海平面上升 15 米。

所以各个国家为了减排,真的是费尽心力,什么碳奖励、碳收集、碳固化,连大家在蚂蚁森林的沙漠里种的一棵棵沙棘树也是为了减少碳排放。

那这左手是人见人恶的二氧化碳,右手是人见人爱的淀粉。

如果能把二氧化碳成功的转换成淀粉,“ 一拍即合 ”,无疑是一件皆大欢喜的好事。

来自中国中科院天津工业生物所科研团队,成功的让这件事看到了希望,他们实现了二氧化碳人工合成淀粉从 0 到 1 的突破。

咋实现的呢?其实跟我们高中学的光合作用原理相似,科学家们对光合作用进行了一波改造。


上面这个光合作用化学方程式大家一定不陌生,其中起关键作用的是这个叫叶绿体的家伙。

之前提到的天然光合作用生产淀粉,有六十多道工序才能完成,需要各种酶的催化反应,一步一步的将二氧化碳转换成淀粉,效率低而且产量也不高。


所以科学家们就想,那我们能不能简化这道工序,不要叶绿体,直接用化学技术加生物催化技术完成从二氧化碳到淀粉的转化呢。

第一个难题,自然界的光合作用有太阳光来提供能量,那人工合成用什么提供能量呢?

也是太阳,不过还有个核心技术加持,“ 液态阳光 ” 技术。


就是把太阳能转化为电能,通过电解制氢的技术产生氢气,再通过化学手段把二氧化碳和氢气转化为甲醇或一些溶于水的一碳化合物,它们是人工合成淀粉的基础材料。

说白了就是把太阳光转换成了液态燃料,实现了从光能 — 电能 — 化学能的转化。

这一过程的能量转化效率超过 10%,远超光合作用的 2%。


第二个难题,则是如何通过优化酶和化学反应过程,来超越大自然光合作用的合成效率,让这件事带来的经济性远高于种地。

化学反应咱就不多说了,至于酶,则是一种催化剂,它能够加速二氧化碳到淀粉之间的转化过程。不管是加快反应速度,还是减少反应步骤,都离不开对酶的优化。

先来看看合成人工淀粉的 1.0 版本,也可以称为试水版本。

科学家通过技术手段,成功的从 31 种不同物种身上提取到了 62 个生物酶催化剂,并且在解决( 热力学不匹配、动力学陷阱等 )一些问题后,成功通过这些提取出来的酶,在实验室里合成出人工淀粉。


但这个版本还是不够简洁快速,所以科研人员又弄了个 2.0 版本,算是优化版本。

这个版本采用蛋白质工程改造技术,剔除了合成过程中几个拖后腿的难题,( 比如限速酶活性低、辅因子抑制、 ATP 竞争等问题 )。

2.0 版本的生物酶催化剂用量相较于之前减少了近一倍,淀粉的产率提高了 13 倍。

但这还没结束,还有个终极版本 3.0。

因为在之前的淀粉制作过程中有个叫甲醛酶的小弟需要高浓度的甲醛才能工作,为了防止甲醛对其它酶的破坏,所以研发了具有化学反应单元和酶促反应单元的 化学酶促级联系统,成功避免了甲醛危害其它酶类。( 解决了底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题 )


通过对比吸收峰和核磁共振信号发现,通过 3.0 版本人工合成的淀粉无论是成分还是理化性质,与天然淀粉几乎一模一样。

3.0 正式版本的淀粉产率相较于之前又提高了 10 倍,而且使用人工合成方法,从太阳能到淀粉的能量转化效率是玉米的 3.5 倍,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。


通过科研团队的介绍,在充足能量供给的条件下,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 亩土地玉米种植的平均年产量。

这一技术的成熟,不仅会解决粮食短缺的问题,还将给另外一个行业带来革命性的改变,太空移民。

你还记得当年从月球上带回来的土壤吗,当天的热搜就是,这月壤里种不出土豆。


但如果可以人工合成淀粉,那就没必要再带种子或者泥土上太空,甚至还得费劲的专门搭一个温室棚子来种植农作物,以后可以建个厂子就直接人工合成淀粉。

而且可别忘了,火星大气层的主要构成就是二氧化碳,占比高达 95%。

这样畅想起来,人工淀粉合成技术真的能给我们生活带来许多改变,但是有个顾虑也不得不提。

成本问题。


首先就是人工合成淀粉的能量消耗,如果单纯的依靠我们一开始提到的 “ 液态阳光 ”,目前还远远不够,入不敷出。

其次,上面提到的关键先生,酶,它的身价也是相当高。

首先酶的生产技术要求极高,整个运输、保存、提取、分离、鉴定等流程都必须是严格的无菌环境,我国具备特种酶生产资格的企业也少之又少,所以特种酶的价格早已经超过黄金,一试管酶可能就要大几千甚至上万。


所以如何提高能源利用率,降低酶的使用成本,或者钻研固化酶等技术,都还需要脚踏实地一步步的走下去。

最后,在昨天中国科学院举行的新闻发布会上,来自中科院天津工业生物所的科学家们称:

“ 人工合成淀粉技术是个影响未来的颠覆性技术,一旦将这一成果推向产业化的应用,它的经济性可以无限接近传统的农业种植 ” 。

也就是说,一旦实现了,那么我们能够解决由于种不了地带来的许多问题。

但目前来看,在解决之前的成本问题之前,咱们这玉米土豆该种还是要种,哪怕是这技术某一天真的成熟了,应该也是先考虑替代工业淀粉。

所以你要是看到这新闻就想准备躺着 “ 喝西北风 ”?劝你还是赶紧起来上班。


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