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人工合成淀粉,人类星际文明的开始?

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9月24日,《科学》杂志在线发表《从二氧化碳无细胞化学酶合成淀粉》(Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide)一文,宣告了中国科学家首次通过人工途径用二氧化碳合成淀粉,这使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。


如果说,上世纪60年代中国在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素(蛋白质)是中国在生物科学领域的第一次巅峰突破的话,那么,这次的人工合成淀粉,就是中国生物科学领域的第二次巅峰突破。

淀粉是什么东西?

从分子层面看,淀粉是多糖,是相对简单的有机化合物。

生物意义上的“糖”,一般是指单糖及其聚合物,单糖包括了葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖、甘露糖、木糖、核糖和脱氧核糖等。

当两种单糖分子通过糖键连接在一起,就成为二糖,如蔗糖和麦芽糖都是二糖,其中蔗糖=葡萄糖+果糖,而麦芽糖=葡萄糖+葡萄糖,更多的单糖分子链接在一起,就成为了低聚糖,而更多的单糖、二糖和低聚糖如果链接到一起,就成为了多糖。

单糖、二糖和低聚糖不同的连接方式,会产生不同的多糖,如淀粉、纤维素,都是某种方式链接起来的多糖,而糖类和淀粉,合称为碳水化合物,与脂肪、蛋白质一起,构成了生命的三大能量物质,也是人类的食物基础。

人类食用的大米、面粉、玉米、土豆、红薯等,其背后的农作物,某种程度上说,其实都是淀粉制造机器。它们在阳光的能量输入下,在叶绿素的催化下,通过著名的“光合作用”,把空气中的二氧化碳和水,转化为淀粉、纤维素等,释放氧气,这就是植物生长和农业生产的本质。

农作物和草木类植物,通过自然光合作用生产淀粉,其合成与积累涉及60多个生化反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为2%左右。


中科院天津工业生物研究所,借鉴自然光合作用的淀粉合成路径,从2015年开始,专注于研究人造淀粉生物合成和CO2的利用。

面对自然光合作用中60多步的生物合成反应(植物有C3途径和C4途径两条固碳线路),科学家们通过计算机模拟和筛选,采用了一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的二氧化碳固定人工合成淀粉新途径。

具体的11个步骤如下:

1)在氧化锌-氧化锆催化剂作用下,将高浓度的二氧化碳和水,通过还原反应,催化加氢,反应生成为甲醇(CH3-OH),这已经是较为成熟的工艺过程;

2)甲醇被氧气氧化,脱掉两个氢,变成甲醛(CH2-O),氧气来源于双氧水;

3)甲醛缩合,形成二羟基丙酮(C3);

4)ATP供能,把二羟基丙酮磷酸化,形成成磷酸二羟丙酮

5)酮与邻位羟基重排列,形成醛邻位羟基,异构成为3-磷酸甘油醛。

6)C3物质通过加成反应,两两成环,形成5原子氧环。

7)脱去部分磷酸根

8)五元环重排为六元氧环,形成葡萄糖骨架(C6)。

9)磷酸化邻位羟基,防止开环。

10)二磷酸腺苷化。

11)脱磷酸,聚合成淀粉(Cn)。

研究人员介绍,本次人工合成的淀粉分子,经过核磁共振等检测,发现与天然淀粉分子的结构组成一致。

看起来,过程好像并不复杂。但实际上,自然界并不存在甲醇合成淀粉的生命过程,科学家是利用计算生物学思想,从几千个化学反应和生物合成途径中,通过计算机模拟设计,通过模块化组装和替代适配,不断地进行测试、组装与调整,才打通了合成路径。


接下来,科学家们又通过蛋白质生物工程改造催化酶,挖掘改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,优选出10种加以改造,以提高合成效率和速度,这10种酶的催化过程,是本次科研突破的精华。

从2015年到2018年7月,天津工业生物所首次实现CO2合成淀粉,接下来,又用了3年时间优化反应效率,对三种瓶颈相关的酶进行蛋白质工程优化,生物酶催化剂的用量减少了近一倍,淀粉生产效率提高了13倍。然后,再将第一步的二氧化碳氢化和后续生物酶反应结合起来,解决产物抑制、中间产物毒性等问题,建立了生化级联反应系统,淀粉的生产率进一步提高,才超越植物光合作用合成淀粉的效率和速率。

根据科研人员介绍,人工淀粉合成,从系统启动到第一批淀粉生产仅需要11个小时,而当系统稳定下来后,产生淀粉的速率是每升每小时410毫克,按照计算,理想状况下1立方米(1000升)一年(8760小时)可产生3591.6千克的淀粉,也就是3.6吨。

以天然淀粉合成效率最高的农作物玉米来说,美国平均单产为每亩750公斤,而按照目前的技术参数,1立方米生物反应器的年淀粉产量,理论上相当于种植5亩玉米的淀粉年产量,而根据严格估算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%。


科学家们的科研内容和实现逻辑,基本介绍完了,关键是要说说该科研成果的意义。

毫无疑问的是,当前的人工合成淀粉的路径,成本还是太高。可以想象,这次的科研成果,如果能够降低成本,成功转化为工业生产,那将会产生多么大的社会意义。

有人把人工合成淀粉,和目前中国正在实施的减少碳排放以及“碳中和”、“碳达峰”联系起来,说二氧化碳可以用来造淀粉,减少碳排放还能生产食物——我可真服了这些人的鼠目寸光,如果人工合成淀粉真能实现低成本工业化生产,那所谓的“碳排放”根本不会再成为问题!

一直以来,食物问题关乎人类生死存亡。地球上绝大部分最好的土地,除了极少数用于建造工厂、道路和住宅之外,绝大部分都还被分配给农作物生产,因为人要吃饭。

1万年前,人类在采集活动中发现,某些草类种子的淀粉含量特别丰富,可以填饱肚子,而这些种子还具有“春种一粒粟,秋收万颗籽”的效果,于是,他们开始有意识地培育这些植物,慢慢地变成了农业生产,而农业生产帮助人类定居下来,由此诞生了文明。

在定居生活和淀粉食物生产剩余的基础上,人类文明开始加速发展,科技树一点点被点亮,一直进化到了现代化的工业大生产时代。

1万年前到现在,我们烧制陶器储存食物和水,我们提炼食盐让身体更强壮,我们冶炼金属提高生产效率,我们学会航海互通有无,我们发明蒸汽机、内燃机来代替人力生产,我们发明汽车、火车、飞机来缩短通勤时间,我们了解和掌握电力点亮夜空加快生产,我们发明和制造计算机与手机,让每个人都可以进入知识的海洋,我们还开发航空航天技术想要征服太空……

从生物角度观察,人类作为一个整体,已经远远超越了自身的生物属性,变成了自己的上帝——孙悟空一个筋斗云十万八千里却不能带唐僧去西天,我们人类的大飞机却可以载着几百人几个小时就到达西天(印度);而古人极尽幻想的千里眼、顺风耳,跟今天的电话和手机比简直是弱爆了;我们的人工降雨水平也早就超越了龙王,航空航天技术发展让人们到达其他行星上不再困难……通过农业生产,我们已经能让整个地球变得面目全非;通过工业生产,我们让大气中二氧化碳浓度快速上升,让大江大河都污秽不堪,甚至能让占地球70%的海洋充满了人类垃圾,我们更有能力通过核战争毁灭地球几十次。

可以说,作为一个集体,人类已经基本达到自身所想象得到的神的几乎全部能力,但是,人类却依然不得不呆在地球上。而限制我们过渡到星际文明的,其实只有两样东西:

1)人类肉身凡胎,受制于食物生产;

2)人类超越动物属性的全部科技和工业生产,受制于能源生产。

食物问题,一直都是人类征服太空的命门——我们可以利用太空物质,通过太阳能板电板所产生的能源,人工制成氧气、水等生命的必需物资,但很可惜,食物问题却始终无法解决,无论是淀粉、蛋白质还是有机糖类,都必须依赖天然的植物生长合成。

讲一个“生物圈II号”的故事。

1987年,在美国得克萨斯州的亿万富翁艾德-巴斯的资助下,美国亚利桑那州图森市的郊外,人们耗资1.5亿美元建造起了一个圆形钢架结构的玻璃建筑物,占地7000平方米,总体积更是达到18万立方米,白色的涂层闪耀在大地上,煞有科幻电影未来建筑的风格,内部有八层楼,模拟了地球上的热带雨林、荒漠、草原和海洋生态系统。

这个建筑之所以被称之为“生物圈II号”,是因为地球依赖于植物光合作用的生态系统,就是一个生物圈,是货真价实的生物圈I号,所以这个模拟生物圈的玻璃屋,就只能叫II号了。


生物圈II号计划,旨在模拟地球生态环境,建造一个封闭、完全自循环的生态系统,为入驻人员提供食物、水和充足的氧气,证明有在一个全封闭系统中持续生存的能力,为未来太空殖民和星际移民做准备——要不然,在浩瀚太空,或荒凉的月球、火星上,宇航员若干年间仅凭地球上携带的物资,如何生存?

显然,这是一个非常有雄心壮志的项目。

生物圈II号第一次任务从1991年9月26日开始,8名科学家进入生物圈II号生活。在整个实验期间,虽然农业系统可满足8位科学家83%的饮食,但因为缺乏经验,任务人员实际上长期处于饥饿状态。更加糟糕的是,因为温室效应,玻璃屋内部氧气与二氧化碳的比例无法自行达到平衡;因为缺乏足够的分解者,多数动植物无法正常生长或生殖,其灭绝的速度比预期的还要快。到了1993年9月,氧气含量已经降至不适合人类生存,第一次实验不得不以失败而告终。

经过反思之后,第二次任务于1994年进行,这一次所有的混凝土都进行了涂封,以免吸收二氧化碳,组员也完全可以做到食物上的自给自足。但没想到的是,管理团队出现了分歧,不得不让警察介入,又过了没几天,两名前参与人员涉嫌破坏生态圈,不久,资助者本身也出现了财务困难,任务被迫终止。

生物圈2号的失败,证明了在当时已知科学技术条件下,人类离开了生物圈I号(地球),将难以永续生存,地球生态系统的复杂性超乎想象,绝非人类可以轻易模拟。

想想看,即便身着宇航服,作为肉体凡胎,人类迄今其实完全无法在太空或其他行星上长期生存,呼吸和水的问题以当代的技术并不难解决,核心就卡在食物这里。

如果,无论何时何地,带上一个淀粉生成器,就能够快速简单解决食物问题,再叠加上目前的航天技术,无论在太空还是其他星球生活,都将不再是一个问题。

更基础地说,如果有人工合成淀粉技术,不考虑食物问题,只用考虑水和氧气的问题,那么,生物圈II号实验的任务可能就会简单很多,其实验也可以长期持续改进,最后极大概率能够取得成功,无论是月球、火星或者太空,人类能够离开地球的时间必将越来越久,直到拥有星际移民的能力。

很快地,人类就会变成一个真正的星际文明。

更进一步地说,近乎无限的、低成本、方便快速的能源获取,才是真正限制人类向星际文明进化的核心。因为食物,就是提供人体自身所需的能量,而种植农作物生产食物,就是固碳、储存太阳能,包括人类在内的动物,吃各种食物,消化吸收,其实就是释放能量。

自古以来,从自然界摄取食物并延续后代,几乎是生物属性最典型的特征。如果,未来人类能源的供应和产生,低到基本没有成本,再叠加合成淀粉的生产,解决了“口腹之欲”的人类,到底还能不能称之为“智人”就很值得怀疑了。

按照《人类简史》的作者尤瓦尔-赫拉利的说法,如果科技极度发达,在逐渐进化中,要不了几代人,某些人很可能就会超越现在我们这种“智人”物种,变成一个拥有超级文明的新物种。

一旦到了那个时候,想想看,你会怎样看待羊群或者大猩猩种群?

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