【新知】二氧化碳人工合成淀粉，未來不用種地了嗎？

近期，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成方面取得突破性進(jìn)展，在國際上首次實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關(guān)成果于9月24日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

這項相關(guān)成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子提供了新的技術(shù)路線。專家認(rèn)為，這是一項顛覆式的創(chuàng)新，未來有望解決糧食問題。

焦點1：二氧化碳人工變淀粉，如何實現(xiàn)的？

淀粉是具有重要營養(yǎng)價值的主要碳水化合物。農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為淀粉。但是，在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸凵婕俺^60步的生物化學(xué)反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的利用效率不超過2%。

從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為淀粉中儲存的化學(xué)能。如何更高效地將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能?

據(jù)中科院官網(wǎng)信息顯示，科研人員想到了“光能—電能—化學(xué)能”的能量轉(zhuǎn)變方式，首先通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^光伏電水解產(chǎn)生氫氣，然后通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲存的化學(xué)能，該過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率。

甲醇儲存了來自太陽能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。科研人員利用合成生物學(xué)的思想，從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計出了甲醇到淀粉的人工路線ASAP(Artificial Starch Anabolic Pathway)。

為將設(shè)計藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實，科研人員挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最后轉(zhuǎn)化為淀粉。

焦點2：合成的淀粉和自然淀粉一樣嗎？這種合成有何優(yōu)勢？

“我們通過了科學(xué)上的金標(biāo)準(zhǔn)，就是核磁檢測。拿我們合成的直鏈淀粉和支鏈淀粉與自然界中的進(jìn)行比對，得到的核磁結(jié)果一模一樣。”中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜說，合成的淀粉實際上和自然淀粉沒有區(qū)別。

據(jù)悉，傳統(tǒng)淀粉依賴提取，產(chǎn)物多為大分子支鏈淀粉。ASAP不僅能合成易消化的支鏈淀粉，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉。

中科院科研人員創(chuàng)制的利用二氧化碳和電能合成淀粉的人工路線，僅涉及11步生化反應(yīng)，淀粉的生產(chǎn)效率是玉米光合作用的8倍以上。整個過程可在一個生物反應(yīng)器中進(jìn)行，1立方米生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量。

焦點3：為何要擺脫植物進(jìn)行二氧化碳固定？

當(dāng)今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)。二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應(yīng)對挑戰(zhàn)的重大科技問題之一。

隨著地球人口數(shù)量規(guī)模急劇擴(kuò)張，可用耕地面積萎縮，糧食安全、溫飽問題越發(fā)突出。種植獲得富含淀粉的食物，可以滿足人類對淀粉的需求，但受自然天氣和耕種影響較大。新的成果可以擺脫耕地和自然環(huán)境限制，使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能。

傳統(tǒng)種植獲取淀粉會使用大量的氮磷鉀肥、農(nóng)藥等，長時間使用容易造成土壤理化性質(zhì)惡化，作物果實品質(zhì)降低，對人類健康產(chǎn)生影響。此次研究成果提出的淀粉制備方法，避免使用農(nóng)藥等，所獲得的產(chǎn)品更加健康。

蔡韜在接受《科技日報》記者采訪時表示，擺脫植物進(jìn)行二氧化碳固定是科學(xué)家多年來的夢想，二氧化碳人工生物轉(zhuǎn)化方面是國際上研究的熱點和難點。

過去幾年，僅在《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》上發(fā)表的相關(guān)論文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美國國家航空航天局(NASA)提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰(zhàn)計劃，但是目前淀粉的從頭人工合成還沒有實現(xiàn)突破。中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在國際上首次做到了從二氧化碳到淀粉的全合成，這種人工合成淀粉的方式展現(xiàn)了超越自然淀粉合成方式的極大潛力。

焦點4：這項人工合成淀粉技術(shù)有何意義？

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院副教授朱毅稱，這項研究成果不依賴植物、細(xì)菌的光合作用，設(shè)計了人工系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，轉(zhuǎn)變了原本的思維方式，優(yōu)化了既有的合成步驟。“這不是跟隨式的發(fā)明，而是顛覆式的創(chuàng)新，它讓我們看到，無限可以利用的能源就是無限的糧食。”她認(rèn)為，現(xiàn)在研究還處于實驗室階段，未來合成淀粉可能優(yōu)先代替工業(yè)淀粉。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院教授羅云波稱，這個研究成果是生物科學(xué)和化學(xué)科學(xué)結(jié)合的了不起成就，前景一定是很美妙的，未來有望解決糧食問題。

據(jù)悉，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低，與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，將可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源。另外，ASAP的成功構(gòu)建，為推進(jìn)我國碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

焦點5：這項研究何時能走向應(yīng)用？

“現(xiàn)在在實驗室，我們有了一點樣品，但還沒有做應(yīng)用。”論文通訊作者、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和在接受媒體采訪時表示。

中國科學(xué)院副院長、中國科學(xué)院院士周琪稱，該成果目前尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離，后續(xù)還需要盡快實現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換。【責(zé)任編輯/古飛燕】

新京報記者 張璐

來源：新京報

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