首次!中科院科学家实现CO?人工合成淀粉,效率比玉米高8.5倍

淀粉是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分 , 也是重要的工业原料 。 不过目前 , 人类主要通过农业种植来生产这种复杂的多碳化合物 。
首次!中科院科学家实现CO?人工合成淀粉,效率比玉米高8.5倍
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(图片来源:veer图库)
如果现在告诉你 , 我们用一种气体就可以直接合成淀粉 , 你会不会觉得像魔法?而这 , 正是科学家在做的事情 。
近期 , 中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性进展 , 国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成 , 相关工作于2021年9月24日发表于国际顶尖杂志《科学》 。 (论文链接:DOI:10.1126/science.abh4049)
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(图片来源:中国科学院科技摄影联盟)
为什么要尝试人工合成淀粉?
粮食安全是国家安全的重要基础 , 我国一直积极推进农业生物技术进步 , 从遗传杂交育种到分子设计育种 , 从转基因新品种培育到基因编辑技术育种 , 我们一直在追赶着国际科技前沿 。
有没有可能“换道超车”?其实人工合成淀粉的想法由来已久 , 即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料 , 也是对缓解农业压力的巨大贡献 。
合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术 。 模拟自然作物光合作用 , 重新设计生命合成代谢过程 , 设计人工生物系统,不依赖植物种植进行淀粉制造 , 潜藏着惊人的变革前景 。 的确这条路线存在很多的不确定性 , 科学问题复杂 , 技术路线不清、瓶颈问题难测 , 但是 , 科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区 。
习总书记也要求我们 , 敢于走前人没走过的路 , 努力实现关键核心技术自主可控 , 把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中 。 我们科技工作者要有强烈的国家使命感 , 面向国家重大战略需求 , 在科技工作中做出重大创新贡献是我们的责任担当 。 “从二氧化碳到淀粉的人工合成”工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点 。
学习植物 , 利用科学 , 我们解决了两个问题
从二氧化碳到淀粉 , 也就是从C1(一碳化合物)到Cn(多碳化合物)的过程 , 并不容易 。
自然界中 , 玉米等农作物中淀粉的合成与积累涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控 , 但是理论能量转化效率仅为2%左右 。
人工合成淀粉的路 , 怎么走得又快又好?
首先 , 我们设计了一条从C1(一碳化合物)到Cn(多碳化合物)的新路径 。
针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳(0.04%)、低能量密度的太阳能(10w/m2)、生长周期长(3-4个月)、天然淀粉合成途径长(大约60个步骤)、催化效率低(需要关键酶RuBisco)等关键问题 , 科研人员耦合化学催化与生物催化技术 , 充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势 , 从头设计和构建了从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径(ArtificialStarchAnabolicPathway,ASAP) , 在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成 。
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(图片来源:作者提供)
受天然光合作用的启发 , 科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上 , 进一步开发了高效的化学催化剂 , 把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物(也就是C1) , 完成了光能——电能——化学能的转化 , 该过程的能量转化效率超过10% , 远超光合作用的能量利用效率(2%) , 也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础 。