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二氧化碳能合成淀粉吗(最新研究成果发现)

植物将光合作用中的葡萄糖转化为聚合物,形成不溶性淀粉颗粒,非常适合在根和种子中长期储存能量。淀粉是碳水化合物的一种储存形式,是人类饮食中卡路里的主要来源,也是生物工业的主要原料。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。

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如果现在告诉你,只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。

日前,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。该成果于北京时间9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》。

“这也意味着,我们所需要的淀粉,今后可以将二氧化碳作为原料,通过类似酿造啤酒的过程,在生产车间中制造出来。”天津工业生物所所长马延和说。

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为什么要尝试人工合成淀粉?

中国人总说:手里有粮,心里不慌。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。

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。

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将二氧化碳还原生成甲醇,再转化为淀粉

科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。

这次,天津工业生物所的科研人员就成功创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线涉及11步核心生化反应,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。因此,将光能高效地转变为化学能并储存下来成为关键。

“我们想到了光能—电能—化学能的能量转变方式。”天津工业生物所副所长王钦宏说:“首先,光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气;然后,通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个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。”

自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。王钦宏说:“要想人工实现这个过程,关键是要制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。”

科研人员挖掘和改造了来自动物、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个酶逐步将甲醇转化为淀粉。这种路径不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。

“也许在不久的将来,不需要种地,也能够满足我们对碳水化合物的需要。”

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这一突破对当下及未来会产生什么影响?

解决农业问题

民以食为天,一直以来,农业问题关乎了人类的生死存亡。而采用这种工业办法,可以解决农业所需的耕地、淡水资源,也能够避免农药和化肥等的使用,改善粮食安全。

我国的耕地面积为150多万平方千米,占国土面积的16%左右,也就是说,不到五分之一,剩下五分之四的国土面积都是不能作为耕地的,这也使得我国的粮食问题一直非常严峻。有了这种技术,高山峡谷,沙漠,冰原,这些地方都可以成为农业产地。

空间站,甚至走向宇宙

过去我们预想中的解决宇宙远行问题,必须携带粮食,要不就是让人类进入冬眠来减少能量消耗。而即便进入了宇宙深处,只要醒来,那总是需要粮食的。所以才有了很多外星种田的科幻,比如去火星种土豆的《火星救援》。

可是有了人工合成淀粉,那这些问题都可以得到很好的解决,甚至在不毛之地,只要有二氧化碳和相关材料,直接合成淀粉。

中科院副院长周琪说,成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有距离,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

一定会有人说,这技术离应用还早呢,这是必然的,但是这种重要性,相信谁都看得到。曾有一个贵妇人质问电的发现者法拉第:“电有什么用呢?”法拉第巧妙地反问道:“新生婴儿有什么用呢?”

据了解,经科技部批准,天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标,一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题,另一方面要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

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