来自 科技 2021-09-28 10:51 的文章

用二氧化碳合成淀粉,以后不需要种地了吗?

近日,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉合成方面取得突破,在世界上首次实现了二氧化碳从头合成淀粉。相关成果于9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。
 
这一成果使传统的淀粉生产农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,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,这是一项颠覆性的创新,有望在未来解决粮食问题。
 
焦点一:二氧化碳人为改变了淀粉,如何实现?
 
淀粉是主要的碳水化合物,具有重要的营养价值。农作物通过光合作用将太阳能、二氧化碳和水转化为淀粉。而在玉米等作物中,二氧化碳转化为淀粉涉及60多个生化反应和复杂的生理调节,太阳能的利用效率不足2%。
 
从能量的角度来看,光合作用的本质是将太阳能转化为储存在淀粉中的化学能。如何更高效地将光能转化为化学能?
 
根据中科院官网信息,科研人员已经想到了“光能-电能-化学能”的能量转换模式。首先通过光伏发电将光能转化为电能,通过光伏电水解产生氢气,然后通过氢气的催化利用将二氧化碳还原为甲醇,将电能转化为化学能储存在甲醇中。这一过程的能量转换效率超过10%,远远超过光合作用的能量利用效率。
 
甲醇储存太阳能的能量,但自然界没有甲醇合成淀粉的生命过程。研究人员利用合成生物学的思想,从大量的生化反应数据中设计了人工路线ASAP(人工淀粉合成代谢路径)。
 
为了将设计蓝图变为现实,研究人员从动物、植物和微生物等31个不同物种中挖掘和改造了62种生物酶催化剂,最终选出了最好的。用10种酶逐步将一碳甲醇转化为三碳二羟基丙酮,再转化为六碳葡萄糖磷酸酯,最后转化为淀粉。
 
焦点二:合成淀粉和天然淀粉一样吗?这种合成有什么好处?
 
“我们通过了科学金标,那就是核磁检查。将我们合成的直链淀粉和支链淀粉与自然界中的直链淀粉和支链淀粉进行比较,核磁共振结果完全相同。”中国科学院天津工业生物研究所副研究员蔡涛说,合成淀粉实际上与天然淀粉没有什么不同。
 
据报道,传统淀粉依赖提取,产品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。
 
中科院科研人员创造的利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线,只涉及11个生化反应,淀粉的生产效率是玉米光合作用的8倍以上。整个过程可以在生物反应器中进行,1立方米生物反应器的年淀粉产量相当于5亩地种植玉米的淀粉产量。
 
焦点三:为什么要除掉植物来固定二氧化碳?
 
当今世界面临着全球气候变化、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和谷物淀粉的工业合成正是应对这一挑战的重大科技问题之一。
 
随着地球人口的快速膨胀,可耕地面积萎缩,粮食安全和温饱问题日益突出。种植富含淀粉的食物可以满足人类对淀粉的需求,但受自然天气和栽培影响较大。新成果可以摆脱耕地和自然环境的限制,使传统的淀粉生产农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。
 
大量的氮、磷、钾肥、农药等。将用于通过传统种植获得淀粉。长期使用容易导致土壤理化性质恶化,作物果实品质下降,影响人体健康。本研究提出的淀粉制备方法避免了农药的使用,所得产品更健康。
 
蔡涛在接受《科技日报》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,二氧化碳的人工生物转化是国际研究的热点和难点。
 
在过去的几年里,《细胞》、《自然》和《科学》发表了不少于十篇相关论文,主要集中在二氧化碳固定和人工光合作用的研究方向。2018年,美国国家航空航天局(NASA)提出了二氧化碳生产葡萄糖的百年挑战计划,但目前在淀粉的从头人工合成方面还没有取得突破。中国科学院天津工业生物技术研究所在世界上首次实现了二氧化碳全合成淀粉。这种人工淀粉合成方法显示出超越天然淀粉合成方法的巨大潜力。
 
焦点四:这种合成淀粉技术的意义是什么?
 
中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授朱义表示,该研究成果不依赖于植物和细菌的光合作用,设计了人工系统固定二氧化碳合成淀粉,改变了原有的思维模式,优化了现有的合成步骤。“这不是后续的发明,而是颠覆性的创新。它向我们表明,无限的能量就是无限的食物。”她认为研究还处于实验室阶段,未来合成淀粉可能会率先取代工业淀粉。
 
中国农业大学食品科学与营养工程学院教授罗云波表示,这一研究成果是生物科学与化学科学相结合的显著成果,前景一定精彩,有望解决未来的食品问题。
 
据悉,如果未来该系统的工艺成本能够降低,与农业种植相比在经济上是可行的,很可能节约90%以上的耕地和淡水资源。此外,ASAP的成功建设,为推动我国二氧化碳峰值排放和碳中和目标的实现奠定了关键技术基础。
 
焦点5:这项研究什么时候会被应用?
 
“现在在实验室,我们有一点样本,但还没有应用。”论文作者、中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延河在接受媒体采访时表示。
 
中国科学院副院长、中国科学院院士周琦表示,这一成果还处于实验室阶段,距离实际应用还有很长的路要走。后续要尽快突破“0比1”到“1比10”、“10比100”的概念。