中科院實(shí)現(xiàn)“人工光合作用”，實(shí)驗(yàn)室用CO?合成淀粉，效率比玉米高8.5倍

豐色 2021-09-24 13:23:40 來(lái)源：量子位

以二氧化碳為原料、不依賴(lài)植物光合作用——

中科院在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了人工淀粉的合成！

△ 圖源新華社微博

人工把空氣中的二氧化碳變成淀粉，這一顛覆性成果通俗點(diǎn)說(shuō)，就是既能解決糧食危機(jī)問(wèn)題又能解決碳排放問(wèn)題，可謂是一箭雙雕。

而且“性能”還很優(yōu)秀：人工步驟比植物合成約少50步，速度也從幾個(gè)月快進(jìn)到了幾個(gè)小時(shí)，能量轉(zhuǎn)化效率更是玉米的3.5倍。

該成果一舉登上最新一期Science。

德國(guó)科學(xué)院院士曼弗雷德?雷茲、美國(guó)工程院院士延斯?尼爾森等國(guó)際知名專(zhuān)家均給予高度評(píng)價(jià)。

今早的央視新聞也進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5分鐘的報(bào)道。

在微博等平臺(tái)，網(wǎng)友們更是興奮地炸開(kāi)了鍋：

“早上在廣播里聽(tīng)到了，科學(xué)家了不起！”

“飯碗端得更牢實(shí)了！”

“這個(gè)太好了！希望趕緊能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用！”

說(shuō)到應(yīng)用，大家的暢想那可真不少：即使一時(shí)半會(huì)用不到糧食上，工業(yè)也可以，畢竟淀粉可是很多工業(yè)產(chǎn)品的原料；或者帶到外太空也行，比如火星[旺柴]。

最搞笑的是調(diào)侃葉綠素的：

葉綠素：你禮貌嗎？

60多步自然合成步驟變11步

先來(lái)看看這“憑‘空’造淀粉”的魔法是怎么變的。

魔法師們來(lái)自中科院天津工業(yè)生物所科研團(tuán)隊(duì)與大連化物所。

整體設(shè)計(jì)思路是將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來(lái)作為原料。

將低密度太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高密度電/氫能作為能源，形成簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔铩?/p>

然后設(shè)計(jì)出從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣蛇^(guò)程。

生物合成過(guò)程大致是先做化學(xué)反應(yīng)——利用高密度電/氫能將二氧化碳還原為碳一化合物。

再做生物反應(yīng)——將碳一化合物聚合為碳三化合物、碳六化合物?（即葡萄糖）?直至長(zhǎng)鏈淀粉分子。

通過(guò)耦合化學(xué)催化和生物催化，科學(xué)家們最終成功構(gòu)建出一條從二氧化碳到淀粉合成只有11步反應(yīng)的人工途徑。

ps.生物酶催化劑是成功構(gòu)建這條途徑的核心關(guān)鍵，研究人員從動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種來(lái)源挖掘出了最合適的生物酶催化劑。

而在玉米等農(nóng)作物中，自然光合作用的淀粉合成涉及60多步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。

除了步驟更少，中科院這個(gè)合成淀粉技術(shù)還具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率與合成速度。

相比自然界數(shù)個(gè)月的合成時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室里只需大約4個(gè)小時(shí)。

相比玉米2%的理論能量轉(zhuǎn)化效率，該技術(shù)從太陽(yáng)能到淀粉的轉(zhuǎn)化率為7%，提高了3.5倍，且淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

而最終通過(guò)核磁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結(jié)構(gòu)組成一致，也就是兩者沒(méi)有區(qū)別。

固碳產(chǎn)糧兩開(kāi)花

以上優(yōu)秀的成績(jī)使固定二氧化碳高效合成淀粉成為可能。

雖然在實(shí)驗(yàn)室里，規(guī)模還比較小，平均1小時(shí)能合成出的淀粉只有幾克；

但在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量，相當(dāng)于我國(guó)5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

等于是產(chǎn)量這么高，還不需要陽(yáng)光、灌溉、施肥等操作，直接就在車(chē)間全天候“馬不停蹄”地生產(chǎn)。

這厲害之處正如Science國(guó)際及學(xué)術(shù)出版合作總監(jiān)所言，不僅在生物合成生物制造領(lǐng)域是一個(gè)重大的里程碑突破，下一步對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造都提供了一個(gè)新的途徑。

更具體的如中科院天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)馬延和說(shuō)，一旦工業(yè)實(shí)現(xiàn)，它會(huì)對(duì)我們的糧食安全、二氧化碳的利用，以及雙碳目標(biāo)都會(huì)起到非常重大的支撐作用。

所以這是網(wǎng)友理解的這樣嗎：“碳中和大殺器”？

不過(guò)科學(xué)家們也說(shuō)了，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室出的都是少量樣品，且目前合成的還是直鏈淀粉（當(dāng)然再加入一個(gè)分支酶，也可以把它做成支鏈淀粉），要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決諸多科技難題：

一方面，在工程生物學(xué)基礎(chǔ)理論和工程設(shè)計(jì)方面有問(wèn)題要解決；

另一方面，主要是從經(jīng)濟(jì)性上考慮，從控制過(guò)程成本初步計(jì)算，只有二氧化碳到淀粉合成的電能利用效率再提高數(shù)倍，淀粉合成的碳素轉(zhuǎn)化速率再提高數(shù)十倍，才能與農(nóng)業(yè)種植競(jìng)爭(zhēng)。

那接下來(lái)，就且看中科院的科學(xué)家們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”的大轉(zhuǎn)換吧。

參考鏈接：
[1]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1711740926841426273&wfr=spider&for=pc
[2]http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/9/365498.shtm