? ? ? ? 滿足碳水需求必須靠種地嗎?二氧化碳和氫氣在一起會發(fā)生怎樣的反應?
??????? 9月23日,中國科學院召開本年度首場新聞發(fā)布會,介紹該院天津工業(yè)生物技術研究所在人工合成淀粉方面取得的重要進展。該所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,成功生產出淀粉,在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成,使淀粉生產從傳統(tǒng)農業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產模式轉變成為可能,取得原創(chuàng)性突破。相關研究成果9月24日在線發(fā)表于《科學》雜志。
??????? 淀粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分,也是重要的工業(yè)原料。
??????? 目前,淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成。在玉米等農作物中,將二氧化碳轉變?yōu)榈矸凵婕?0余步的代謝反應和復雜的生理調控,太陽能的理論利用效率不超過2%。農作物的種植通常需要數(shù)月的周期,使用大量的土地、淡水、肥料等資源。
??????? “長期以來,科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程,希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率,最終提升淀粉的生產效率?!闭撐耐ㄓ嵶髡?、中科院天津工業(yè)生物技術研究所所長馬延和直言。
??????? 那么,除了光合作用外,還有沒有效率更高的二氧化碳生產淀粉的方式?
??????? 為解決這一難題,中科院天津工業(yè)生物技術研究所研究人員從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑,在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。
??????? 研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式,聯(lián)合中科院大連化學物理研究所,利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一(C1)化合物,然后通過設計構建碳一聚合新酶,依據(jù)化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通過生物途徑優(yōu)化,將碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再進一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。
??????? “這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向設計自然、超越自然目標的實現(xiàn)邁進了一大步,為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學基礎。”論文第一作者、中科院天津工業(yè)生物技術研究所副研究員蔡韜說。
??????? 在充足能量供給的條件下,按照目前的技術參數(shù)推算,理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產量。這一成果使淀粉生產的傳統(tǒng)農業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產模式轉變成為可能,并為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線。
??????? 馬延和表示,該成果為從二氧化碳到淀粉生產的工業(yè)車間制造打開了一扇窗,如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性,將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源,避免農藥、化肥等對環(huán)境的負面影響,提高人類糧食安全水平,促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展,推動形成可持續(xù)的生物基社會。
??????? 同時,中國科學院副院長、黨組成員,中國科學院院士周琪在發(fā)布會上強調,這項成果尚處于實驗室階段,離實際應用還有相當長的距離,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”的轉換,最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。
??????? 此外,該成果也得到了國內外領域專家的高度評價?!犊茖W》雜志新聞部執(zhí)行主任梅根·菲蘭認為,該研究成果將為我們未來通過工業(yè)生物制造生產淀粉這種全球性重要物質提供新的技術路線;中科院院士趙國屏表示,這是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果;德國科學院院士、歐洲科學院院士曼弗雷德·雷茲稱,本項工作將該領域的研究向前推進了一大步,同時將天津工業(yè)生物技術研究所推向了國際頂尖水平。
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