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“喝西北风”也能活?我国学者用二氧化碳人工合成淀粉

时间:2021-09-26 13:58   来源:neius.cn   作者:沐瑶   

我们总是善于用发展的手段解决发展中的问题。从长远来看,这项技术是生物合成领域的里程碑式突破,具有很强的工业潜力,也是宇宙星际迁移的必备技术。

如今,中国科学家轰动了科技界的一项伟大研究,产生了:种二氧化碳合成淀粉的技术。这不仅是人类第一次找到了获取淀粉代替植物光合作用的方法,也促进了ldquo二氧化碳排放峰值。和ldquo碳中和。实现目标的技术路线提供了新的思路。

许多中外专家评论说,设计一个人工生物系统来固定二氧化碳以合成淀粉,而不依赖植物的光合作用,这将是一项影响世界的重大颠覆性技术。这使人们看到了一种可能性。mdash农业可以从种植模式转变为工业车间生产模式,人类朝着设计自然、超越自然的目标迈出了一大步,为创造新的功能生物系统提供了新的科学依据。

如果未来二氧化碳合成淀粉的系统工艺成本能够降低到与农业种植相比经济上可行,将节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药化肥对环境的负面影响,促进可持续生物基社会的形成,提高人类粮食安全水平。

这一成就的意义不仅限于此。也意味着继20世纪60年代首次人工合成结晶牛胰岛素之后,中国科学领域的第二次高峰突破。

在科技进步的每一步,万物内涵的质量,生物之间起源的发展及其亲缘关系,都关系到国家系统工程的推进。这一研究成果终于回应了Xi总书记两年前的今天的讲话。在推进美丽中国建设的伟大进程中,我们要追求人与自然的和谐,染山染林,融平原与蓝绿,赏城乡美景花。这样的现代化不仅能带来美的享受,也是人类走向未来的支撑。

在新千年,我们预测:21世纪将是生命科学的时代。今天,当我们展望未来的中国和世界时,我们的内心澎湃,我们更加自信。

成就背后,中国科学院天津工业生物技术研究所与中科院大连化学物理研究所等院内外研究团队共同攻关。经过六年的深耕,他们创造了一条利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线。

中国科学家在淀粉人工合成方面取得的重大突破性成果得到了中外同行的高度评价,被认为是典型的0比1原始突破,是拓展和增强人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破,具有特色。直立。重大科研成果;它不仅将对未来农业生产特别是粮食生产产生革命性的影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑意义,将对下一代生物制造和农业生产带来革命性的影响。

合成淀粉技术打开了一扇窗。

能量转换效率从自然界的2%到人造的10%不等。

植物被称为食物链的生产者,因为它们可以通过光合作用利用无机物生产有机物质并储存能量。通过进食,食物链中的消费者可以吸收植物和细菌储存的能量。对于生物世界中几乎所有的生物来说,这个过程都是它们生存的关键。而地球上的碳氧循环,光合作用是必不可少的。

归根结底,我们吃的食物是植物通过光合作用产生的。光合作用极度简化后,是以绿色植物为反应平台,以太阳能为能源,经过一系列生化反应,将空气中的二氧化碳和水转化为碳水化合物(有机碳)并释放氧气的过程。

最重要的限制因素是反应平台,它关系到碳水化合物转化的数量和效率。我们的农业谷物的本质是提供光合作用反应平台。比如,保护耕地,增加种植面积,就是增加<;反应平台的数量;培育高产品种就是要提高<;反应平台转化效率。而建立植物的反应平台是一个<;Quot而这个艰难的过程,从播种到收获,需要几个月到几年的时间,还会受到很多非人为因素的影响,比如适合生长的环境(温度、光照、水分、土壤养分等)。),病虫害、自然灾害等。

在这些难以完全控制的因素背后,中国有袁隆平这样的水稻专家,他们致力于农作物的高产扩种,解决世界粮食短缺问题。也有生物科学研究者马立克延河,他完全跳出了光合作用的道路,采用纯粹的工业手段来建造<;反应平台。

植物的生活反应环境涉及模拟叶绿体环境、各种膜系统和各种酶。在植物中,这个过程涉及大约60个生化反应和复杂的生理调节。理论上,整体能量转换效率约为2%。由于光合作用的过程极其复杂,人工光合作用的研究并没有取得很大进展。在合成淀粉技术中,基本消除了耕地、气候等限制因素。理论上,只要原料和能量充足,淀粉在各种环境下都能稳定生产。

中国科学院天津工业生物研究所和大连化学物理研究所的研究人员设计了一种利用电解产生的二氧化碳和氢气合成淀粉的人工路线。该路线只涉及11个核心生化反应,淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍。

构建新的人工光合途径。

quot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。quot马延河解释道。

如何更高效地将光能转化为化学能?通过模拟和学习自然过程,建立一种新的人工光合作用方式,研究人员想到了光能mdash能源mdash化学能的能量转化方式是: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。这一过程的能量转化效率超过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。因此,研究人员利用合成生物学的思想,从海量的生化反应数据中设计出一种新的方法。

包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。

为将设计蓝图变为现实,科研人员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,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,最终合成了直链和支链淀粉。

具体来看,研究者创建的新路线是通过「搭积木」的方式建立的,他们整合了化学和生物的催化模块,以生物技术创新的方式利用了高密度能量和高浓度二氧化碳。研究人员解决了底物竞争、产物抑制和热力学适应等问题,使用空间和时间分隔系统地优化了这种混合系统。

简单来说,反应过程就是:

CO2rarr;C1 rarr;C3rarr;C6rarr;Cn (即淀粉),从无机物到有机物的过程是第一步。

团队对ASAP 进行了多次迭代:

ASAP1.0解决有和无的问题, 上面链条的每一步都有多种不同的路径选择,最终选择了CO2rarr;甲醇的这条路线。

ASAP2.0优化了反应效率

ASAP3.0 将化学反应(CO2氢化)和后续的生物酶反应结合起来

ASAP3.1: 在最后一步使用了从Vibrio vulnificus 中获得的酶(Starch Branching Enzyme)来生成更接近现实中淀粉结构的直链-支链淀粉比例。

不过需要注意的是,目前这个合成路线还是实验室阶段, ASAP3.0的生产效率是410mg/L/小时。同时反应中使用了大量生物酶,对于反应条件的要求会比化学催化剂更加苛刻。

和标准天然淀粉对比,人工合成的淀粉的结构基本一致。无论是吸收峰,还是核磁共振信号,都佐证了这种合成和天然淀粉非常接近。下图是合成的淀粉实物图。

按照目前的技术参数,在能量供给充足的条件下,1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于 5 亩土地的玉米淀粉年平均产量,为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。此外,根据报道,其效率也高,自然界合成淀粉的效率约为2%,而工业合成效率可以达到10%以上。

难题在哪

1,合成实验是酶化学,不是全化学合成。但酶既昂贵,反应条件又异常苛刻,反应温度调整一两摄氏度结果悬殊。如果是全化学合成,或许可以通过加大投料、提高反应温度和反应装置压力等方式提高反应速率,但酶化学反应变动幅度大。

3,反应所需的ldquo;能源充足rdquo;基本上是个伪命题。根据文章中1立方米反应器相当于5亩玉米田淀粉产量的数据,能量消耗应该不小。目前,用这项技术生产淀粉的总成本远高于通过农作物生产同样多的淀粉。

总之,目前这一成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离。据介绍,科研人员正在针对工业化的问题进行攻关,比如解决酶的稳定性、活力、成本等问题,探索多条技术路线等,预计未来5到10年能够建立起工业化示范装置。

但技术背后意味着什么?论文一作蔡韬解释,这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗。有了人工工业合成淀粉的能力,粮食问题、耕地、生态以及气候问题都可以得到很好地解决。

结尾

秋分已至,农民丰收节在昨,我们不约而同地想起袁老,或许正是因为传统农业的生生不息和沉甸甸的丰收喜悦,我们未曾忘记那些凝视风雨和土地的人。在今天,我们对马老师团队同样报以敬佩,对科技的生命力投以抱负,首先认同的就是这一代大国工匠的坚韧品质,以及在经济结构换挡升级中穿云破雾的思想力量。

ldquo;后续,研究团队还需要尽快实现从0到1的概念突破到1到10和10到100的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。quot;中科院副院长周琪表示,中科院将集成相关科技力量,一如既往地支持该项研究深入推进。