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二氧化碳人工合成淀粉,未来不用种地了吗?

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新京报讯(记者 张璐)近期,中科院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得突破性进展,在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。相关成果于9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。

这项相关成果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,并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新的技术路线。专家认为,这是一项颠覆式的创新,未来有望解决粮食问题。

焦点1:二氧化碳人工变淀粉,如何实现的?

淀粉是具有重要营养价值的主要碳水化合物。农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化为淀粉。但是,在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉涉及超过60步的生物化学反应和复杂的生理调控,太阳能的利用效率不超过2%。

从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。如何更高效地将光能转变为化学能?

据中科院官网信息显示,科研人员想到了“光能—电能—化学能”的能量转变方式,首先通过光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气,然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能,该过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。

甲醇储存了来自太阳能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。科研人员利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中设计出了甲醇到淀粉的人工路线ASAP(Artificial Starch Anabolic Pathway)。

为将设计蓝图变为现实,科研人员挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最后转化为淀粉。

焦点2:合成的淀粉和自然淀粉一样吗?这种合成有何优势?

“我们通过了科学上的金标准,就是核磁检测。拿我们合成的直链淀粉和支链淀粉与自然界中的进行比对,得到的核磁结果一模一样。”中科院天津工业生物所副研究员蔡韬说,合成的淀粉实际上和自然淀粉没有区别。

据悉,传统淀粉依赖提取,产物多为大分子支链淀粉。ASAP不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。

中科院科研人员创制的利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线,仅涉及11步生化反应,淀粉的生产效率是玉米光合作用的8倍以上。整个过程可在一个生物反应器中进行,1立方米生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量。

焦点3:为何要摆脱植物进行二氧化碳固定?

当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成,正是应对挑战的重大科技问题之一。

随着地球人口数量规模急剧扩张,可用耕地面积萎缩,粮食安全、温饱问题越发突出。种植获得富含淀粉的食物,可以满足人类对淀粉的需求,但受自然天气和耕种影响较大。新的成果可以摆脱耕地和自然环境限制,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。

传统种植获取淀粉会使用大量的氮磷钾肥、农药等,长时间使用容易造成土壤理化性质恶化,作物果实品质降低,对人类健康产生影响。此次研究成果提出的淀粉制备方法,避免使用农药等,所获得的产品更加健康。

蔡韬在接受《科技日报》记者采访时表示,摆脱植物进行二氧化碳固定是科学家多年来的梦想,二氧化碳人工生物转化方面是国际上研究的热点和难点。

过去几年,仅在《细胞》《自然》《科学》上发表的相关论文就不下十篇,主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年,美国国家航空航天局(NASA)提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑战计划,但是目前淀粉的从头人工合成还没有实现突破。中科院天津工业生物技术研究所在国际上首次做到了从二氧化碳到淀粉的全合成,这种人工合成淀粉的方式展现了超越自然淀粉合成方式的极大潜力。

焦点4:这项人工合成淀粉技术有何意义?

中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授朱毅称,这项研究成果不依赖植物、细菌的光合作用,设计了人工系统固定二氧化碳合成淀粉,转变了原本的思维方式,优化了既有的合成步骤。“这不是跟随式的发明,而是颠覆式的创新,它让我们看到,无限可以利用的能源就是无限的粮食。”她认为,现在研究还处于实验室阶段,未来合成淀粉可能优先代替工业淀粉。

中国农业大学食品科学与营养工程学院教授罗云波称,这个研究成果是生物科学和化学科学结合的了不起成就,前景一定是很美妙的,未来有望解决粮食问题。

据悉,如果未来该系统过程成本能够降低,与农业种植相比具有经济可行性,将可能节约90%以上的耕地和淡水资源。另外,ASAP的成功构建,为推进我国碳达峰和碳中和目标奠定关键技术基础。

焦点5:这项研究何时能走向应用?

“现在在实验室,我们有了一点样品,但还没有做应用。”论文通讯作者、中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和在接受媒体采访时表示。

中国科学院副院长、中国科学院院士周琪称,该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换。

新京报记者 张璐

编辑 张磊 校对 贾宁

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