《Science》刊登中科院最新突破,用二氧化碳合成淀粉,网友已开始安排诺贝尔奖

《Science》刊登中科院最新突破,用二氧化碳合成淀粉,网友已开始安排诺贝尔奖
2021年09月26日 12:18 大数据_文摘

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有人说,人类的历史就是一部粮食史。

这里所说的粮食,指的是各种主食,无论是水稻、麦,还是土豆、玉米等,这些包含了大量淀粉的植物是人类赖以生存的能量来源。

我们在高中生物课上都学过,植物能产生淀粉靠的是光合作用。

光合作用让植物可以通过二氧化碳和水就生成有机物和氧气,但是植物需要阳光和叶绿体和细胞生物才能完成这样的转换。

这种对自然条件的依赖性使得人类数千年以前主要的食物来源都是靠大规模种植各种农作物来实现,这个过程最短也需要几个月,期间还要受到自然环境的影响。

这种不确定性让科学家从很久之前就开始探索人工合成淀粉来替代植物生成,但是多国科学家的积极探索却一直未取得实质性重要突破。

9月24日,《科学》在线发表了一篇论文,该论文来自中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和团队,论文介绍了他们采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

这是人类首次以二氧化碳为原料,不依赖植物光合作用,直接人工合成淀粉。这项研究如此‘科幻’以至于科幻作品也很少做这样的想象,毕竟在已经建设火星基地的未来,马特·达蒙还需要再火星上种土豆才能活下去。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

人工合成路径只需要11步!能像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉

该研究一经问世,便在网上激起了讨论热潮。

知乎上《我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术,这一突破对当下及未来会产生哪些影响?》的话题一度登上热榜,‘中国科普博览’也请来了研究团队中的中国科学院天津工业生物技术研究所的孙红兵、蔡韬、王钦宏来亲自为网友解答。

提到这项研究的厉害之处,团队表示,“自然界的淀粉合成需要60多步复杂的反应和精细的调控,目前,这条人工合成路径只需要11步!能让我们未来能够像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉。”

并且,这11步并不只是将自然界的60多步删删减减得到11步,而是重新设计出了一条路。

首先从很多种生物的生物化学反应中,计算出了一条极简路径,但是这个路径是计算出来的,实际操作中各个步骤之间不太兼容,比如所需要的反应条件不太一样。科学家们又通过模块化思维,选择不同的反应过程,才摸索出了这条11步的反应路径。

然后,研究人员又通过蛋白质生物工程改造手段和反应时空分离,提高反应效率和速度。

马延和介绍,此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径,并使其工作效率大幅高于自然生物过程,跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破,为淀粉的车间生产打开一扇窗口,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

四个模块搭积木,寻找最好的反应路径

简单来说,这项技术可以分为四个模块,首先把二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,然后将还原的甲醇转换成为三碳,然后是将三碳合成六碳,最后再将六碳聚合成为淀粉。

这四个模块被研究人员分别命名为C1(一碳化合物),C3(三碳化合物),C6(六碳化合物)和Cn(多碳化合物)模块。

尽管每个模块的原料和产物都是确定的,但是可以反应过程却有很多可能,科研人员利用‘搭积木’的思路对每一步进行尝试以寻找四个模块最佳的组合方式。

据科研人员向‘中国科普博览’介绍,

在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后,对各模块进行不断地测试、组装与调整,最终成功创建了1.0版途径,实现了人工淀粉的实验室合成,该途径包含了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂。

在此基础上,科研人员采用蛋白质工程改造手段,对1.0版途径中的三个关键限速步骤进行了改造,解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题,得到2.0版途径。

在2.0版途径中,生物酶催化剂的用量减少为1.0版本用量的50%左右,淀粉的产率提高了13倍。

人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍

实验室初步测试结果显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。

这意味着,在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,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亩玉米地的年产淀粉量。

对于这项成果,德国科学院院士曼弗雷德・雷兹、美国工程院院士延斯⋅尼尔森等国际知名专家均给予高度评价,认为这一重大突破将该领域研究向前推进了一大步。

那么,这离大家心中期待的‘淀粉工厂’还有多远呢?

研究人员也表示,这行技术目前还停留在实验室阶段,只完成了‘0到1’的过程,剩下‘1到10’的过程还在努力中,研究人员表示,

不少人关心能耗问题,目前研究处于实验室阶段,生产全程的能耗还没有准确计算,但是工业化之前这个问题大家一定能得到答案,一步步来。

首先是催化所用的各种酶,其成本目前非常高昂,在这时在大规模工业化之前必须解决的问题,其次是第一步二氧化碳加氢气合成C1的过程需要大量氢气,目前氢气的生产和运输成本都不低,这也是未来需要解决的一大问题,另外还有反应所需的能量来源问题。

尽管前路坎坷,但是研究人员依旧看好合成生物学的前景,他们表示,“其实人工合成淀粉的想法由来已久,即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料,也是对缓解农业压力的巨大贡献。

相比之下,网友们则更加激动,已经在考虑诺贝尔奖了

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