Science:国际首例!中国学者首次实现CO₂人工合成淀粉

2021
09/26

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医诺维
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淀粉是人类粮食的最主要成分,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,同时也是重要的工业原料。目前淀粉主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。

当今世界正面临全球气候变化、粮食危机等一系列重大挑战,粮食淀粉可持续供给是当今世界科技创新的战略方向。而不依赖植物光合作用,设计植物光合作用以外的新途径将二氧化碳转化为淀粉是一项巨大挑战。

2021年9月24日,中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和等研究人员在国际学术期刊" Science "发表了一篇题为" Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide "的研究论文。

研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法,不依赖植物光合作用,以二氧化碳、电解产生的氢气为原料,成功生产出淀粉,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,取得重大突破。

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该研究在淀粉人工合成方面取得的重大突破性进展,首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

目前,淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在农作物中,将二氧化碳转变为淀粉的复杂过程中,太阳能的理论利用效率不超过2%。其次,农作物的生长周期较长,使用大量的土地、淡水、肥料等资源。

长期以来,研究人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。

那么,从二氧化碳到淀粉的过程只能依靠种地吗?

为了解决这一难题,研究人员设计了一种化学酶系统以及一种仅由11个核心反应组成的人造淀粉合成路线,在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。

合成淀粉路线采用了一种类似“搭积木”的方式,研究人员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,再进一步合成淀粉。

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人造淀粉合成途径的设计

这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步,为创建新功能的生物系统提供新的科学基础,也将为未来从二氧化碳合成淀粉开辟崭新道路,使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。

按照目前技术参数,在能量供给充足条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于 5 亩土地玉米种植的淀粉产量。

研究人员表示,如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响。

此外,该成果也得到了国内外领域专家的高度评价。认为这是典型的0到1原创性突破,对未来的农业生产有革命性的影响、里程碑式的意义。

总之,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,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟新的技术路线。

论文链接:

DOI:10.1126/science.abh4049

END

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关键词:
研究人员,实现,化合物,设计,二氧化碳

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