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中国科学家揭秘“二氧化碳人工合成淀粉”


现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2022/6/11 15:28:31 关注:253 评论: 我要投稿

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  “种植农业植物来获取淀粉是人类的传统生存模式。与其说靠天吃饭,不如说我们是靠植物在生存。不依赖植物的光合作用来合成淀粉,是科学家长期以来的梦想。”
  6月10日,在第十四届中国生物产业大会高层论坛上,中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和视频发表主旨演讲,揭秘了“二氧化碳人工合成淀粉”背后的探索路径。
  过程:从1.0走到3.0,化学催化和生物催化成功实现耦合为何要探索淀粉的人工合成?马延和介绍,淀粉是典型的有机物,传统以来,人们一直依靠植物获取淀粉来维持生存。但植物经过亿万年的进化,它适应了低密度太阳能和低浓度二氧化碳的自然环境,有其自身的生物属性。自然光的转化效率比较低,特别是从自然光到淀粉的理论转化含量不过2%,实际上就只有0.7%。同时植物的种植周期长,需要的面积大,消耗了大量资源,制约着农业的生产。
  “植物合成淀粉的化学本质就是太阳能还原碳,然后逐步从简单的分子聚合到复杂分子的生化过程。”根据合成生物学的理念,马延和带领团队抽提植物淀粉合成的化学本质,从头设计淀粉合成的代谢途径,重构太阳能到淀粉化学能的能量传递路线,希望实现设计自然、超越自然的目标。
  马延和首先按照还原、缩合、聚合简单反应的途径的概念,在计算机中去搜寻已知的生化反应,按照能量耗散最小,反应步骤最短,碳素损失最少的原则,从头来设计从二氧化碳到淀粉的人工合成途径,成功获得了1个只有9步反应的理论途径。
  理论上设计好了,但现实中却没能合成淀粉。“所有需要的酶制剂已经全部获得,但是把这些酶丢进反应器,它并不能形成反应堆,形成淀粉的合成。”马延和只能和团队先针对每个模块来进行检测,发现每个模块都具有催化功能,但是组装之后没有功能,这说明模块之间是有问题。
  经过反复的实验和艰苦的探索,马延和成功解决了模块之间热力学匹配的问题、代谢流平衡的问题以及附产物抑制的问题,将计算机计算设计的9步反应,重新设计成了11步的反应,实现了从碳液原料到淀粉的合成,跨越了生物功能,从虚拟的设计到现实实现的鸿沟。这个版本虽实现了淀粉的合成,但合成速率较低。
  通过酶工程的系统改造,淀粉人工合成形成了2.0版本,提高了碳转化速率和效率,合成速度已接近了玉米合成速度的80%。“但还有关键的问题没解决,那就是二氧化碳还原能量输入的问题。”马延和说,这一问题里面有生物路线和化学路线的选择,“目前生物路线的努力还不足以满足后续路径对能量的需要,化学催化成为我们重要的选择。”
  在中科院大连化物所李灿院士的支持帮助下,马延和团队努力进行化学催化和生物催化的耦合,其中所面临的挑战就是化学催化和生物催化的速率有很大的不匹配。“甲醛这些中间产物快速的积累会抑制后续的反应进行,所以我们对途径进行了充分的分区和优化,来消除甲醛的积累,成功实现了化学和酶化的耦合反应。”
  至此,淀粉人工合成的3.0版本形成,过程是11步反应,4个小时可实从二氧化碳合成直链淀粉达1.63g/L,并可实现可控的支链淀粉的合成。经过核磁分析和吸收光谱的分析,人工合成淀粉的结构与自然淀粉的一致。
  意义:淀粉人工合成高效快速,或成人类脱离自然食物链的开端相对于交通出行而言,粮食生产的生产范式一直没有变化。“如果我们能以廉价的可再生碳源,通过车间制造来实现农业产品的生产,将会节约大量的土地和水资源以及消除对环境的影响。”马延和介绍,淀粉人工合成的途径和自然的植物合成相比具有步骤少、效率高、速度快等优势。“在能量充足供给的条件下,按照目前的技术参数,一吨的反应罐年产淀粉的量相当于5亩土地玉米种植的产量。”
  马延和团队的工作成果发表后,得到了广泛关注。国外的报道将其称为人类脱离自然食物链的开端。国际上的重要学术期刊也认为这项工作以温室气体为原料,为制造粮食、食物和其他复杂产物提供了蓝图。
  “这一工作也具有养活世界以及让人类在太空生存的潜力,是化学催化接力生物催化将二氧化碳转化为生命分子的案例。”马延和说,另外淀粉作为储能物质,如果有足够多、足够便宜的淀粉,将有望推进工业原料从化石原料向糖脂原料的转移,形成清洁循环可再生的工业体系。
  马延和坦言,下一步还是面临着非常多的挑战,特别是化学催化和生物催化耦合的能效问题、酶蛋白催化剂的成本问题,以及多项反应的工程问题、途径问题都需要解决,还有一些能量损耗需要改善。“我们希望进一步提高理论能效和经济性,以及推进它的产业化进程。”
  而从整个产业经济变革的方向来看,马延和认为生物经济是替代农业经济和工业经济的一条理想路线,也是社会经济可持续发展的需要。“通过生物技术方面的创新,推动生物经济的快速到来。可有望突破资源环境瓶颈的制约,建立应对社会经济安全发展人口持续增长的系统解决方案。”
文章来源:广州日报     文章编辑:一米优讯     
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