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[转载]中科院首次实现二氧化碳合成淀粉

已有 2098 次阅读 2021-9-29 12:47 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

中科院首次实现二氧化碳合成淀粉

2021年09月28日 15:05


    9月24号,该成果发表于著名国际学术期刊Science。

  这是世界上首次在实验室,实现二氧化碳到淀粉的从头合成。代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破,对于粮食安全、外星探索、气候变化都有着巨大意义。

  通俗点说,既能解决粮食危机问题,又能解决碳排放问题,还为未来太空航行打开了想象空间,一箭三雕。

  淀粉,也就是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分,每天维持我们生命的东西(餐餐牛排的土豪请忽略),同时是重要的工业原料。

  目前咱们想获得淀粉,都是由玉米等农作物,通过自然光合作用固定二氧化碳生产。

  这种手段存在几个问题:

1.步骤复杂:自然界淀粉合成与积累,涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控。

2.效率低:理论能量转化效率仅为2%左右。

3.速度慢:玉米的生长周期一般超过100天。

4.占用空间大:需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。

但用二氧化碳人工合成淀粉就完全不一样了。

  人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

  步骤上,科研人员重新设计出了一条路径,只需要11步就能从二氧化碳人工合成淀粉。

效率上,从太阳能到淀粉的转化率为7%,是自然界合成淀粉的3.5倍。

  合成速率上,相比自然界数个月的合成时间,实验室里只需大约4个小时。

  最最重要的是,它不需要光合作用,完全通过纯工业/实验室合成,能让我们未来能够像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉。

  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。

人工合成淀粉样品

  具体的合成路线是:

  科研团队采用一种类似“搭积木”的方式,联合中科院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下,还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶;依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。

  该团队还通过耦合化学催化与生物催化模块体系,创新高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术,通过反应时空分离优化,解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题,扩展人工光合作用的能力。

  简单点说,科学家们先将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,然后将甲醇转化成为三碳,接下来再将三碳合成六碳,最后,聚合成为淀粉。

最终通过核磁检测,该人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致,也就是两者没有区别。

  这波来自实验室“降维打击”的操作,堪称科幻小说里的情节,是合成生物学领域的重大突破。

  有网友评论,“终于实现了喝西北风的愿望”。

  突破二氧化碳人工合成淀粉技术,对未来会产生哪些影响,到底有多重要?

  看看官方给出的评价:

  继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后,中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

  首先,是粮食方面的影响。

  我国地大物博,但一平均就拉胯了。人均耕地面积排在全球第118名,这还是国家死保18亿亩耕地红线的结果。

  有了二氧化碳人工合成淀粉技术就不一样了,这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式,向工业车间生产模式转变成为可能。

  它在很大程度上,甚至可能是从根本上解决了困扰人们的粮食问题。

  同时,有望节省超过90%的土地和淡水资源,城市的发展空间不再受限。

其次,是环境方面的影响。

  粮食生产方式改变了,那就不用像以前一样,大范围施化肥和喷农药,破坏环境。

更重要的是,可以直接把二氧化碳固定下来,这效率比农业和植物快多了,那岂不是温室气体问题就可以解决了?

  “碳中和”之类的环保问题,将再也不是问题,工业生产方面的限制也大幅减少。

  另外,这项研究,还将为人类的太空探索提供重大的助力。

  去火星生活不用苦哈哈的种土豆了,直接建立一个淀粉生产工厂就行。

  要知道,火星大气主要是二氧化碳,比例高达96%,简直是一个超级粮仓。

  星际旅行时,粮食也不再是问题。

  说到这,大家是不是有点小激动?那接下来我就要泼盆冷水了。

  虽然目前设计、创建超越自然的人工生物系统生产淀粉,取得了突破性进展。

但要真正实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉,依然任重而道远。

最核心的问题还是成本。

  二氧化碳加氢气制甲醇,会导致甲醇成本巨幅提高,失去经济价值。同时在后面的“搭积木”过程产品——淀粉,也会有大量的能耗。

因此,很容易导致这个合成淀粉面临能耗高、排放高、价格高的问题,在未来的应用落地中存在比较大的阻碍。

  以太阳能电池为例。具有实用意义的太阳能电池,是上世纪50年代贝尔实验室开发出来的。

  但即使到近几年,光伏发电的平价上网依旧是一个老大难问题。只有部分地区,可以在经济性上与火电竞争,相当一部分地区还做不到。

  并且光伏发电还受电网调峰和稳定性约束,目前仅能作为火电的有限替代。

光伏发电用了70年才做到这个地步,人工合成淀粉又需要多久才能与传统农作物同台竞争呢?

  当然,作为一个从0到1的突破,这意味着只要在这条路上持续的走下去。

  总有一天,我们会完成工业化批量生产淀粉的事业,不再依赖与大量的土地种植,真正的从农耕文明走向更高的文明阶段。

  相信在科研人员的不懈努力下,未来的“淀粉生产工厂”并不遥远。

 

链接地址:https://cj.sina.com.cn/articles/view/1931279877/731cfe0500100tm64

 




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1 檀成龙

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