“喝西北风”就能饱?马延和团队开发出用CO₂人工合成淀粉技术

2021
09/26

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生物谷
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今日,一篇重磅研究登上了国际顶级学术期刊《科学》(Science)。在这篇研究当中,我国科学家成功实现了无需任何植物,直接利用二氧化碳合成淀粉分子的全过程!

淀粉是碳水化合物的一种储存形式,是人类饮食中热量的主要来源,也是生物工业的主要原料。一般来说,淀粉来源于植物的光合作用。植物将光合作用产生的葡萄糖转化为聚合物,形成不溶性的淀粉颗粒。这个过程涉及大约60个生化反应以及复杂的生理调控。该工艺的理论能量转换效率仅为2%左右。

目前,迫切需要可持续供应淀粉和利用二氧化碳的战略来克服人类面临的重大挑战,例如粮食危机和气候变化。设计不依赖于植物光合作用的新途径将二氧化碳转化为淀粉是一项重要的创新科技任务,将成为当今世界的一项重大颠覆性技术。此前,多国科学家积极探索,但一直未取得实质性重要突破。

在24日发表的研究当中,中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员带领团队,在国际上首次实现在实验室中从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

天津工业生物所所长马延和表示:“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。”

研究团队开发了一个人工淀粉合成途径(artificial starch anabolic pathway, ASAP),由11个核心反应组成。简单而言,这个过程是通过使用无机催化剂将二氧化碳还原为甲醇,再通过酶转化为三碳和六碳糖单位,最后转化为聚合淀粉。

图 1. 人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

这种人工淀粉合成途径依赖于来自许多不同来源生物的工程化重组酶,并且可以被调整为生产直链淀粉或直链淀粉,相对于其他合成碳固定系统而言,其速度和效率都非常好。根据所使用的指标不同,甚至可以生产田间作物。

在一个具有空间和时间隔离的化学酶系统中,ASAP在氢气的驱动下,以每分钟每毫克催化剂22纳摩尔二氧化碳的速度将二氧化碳转化为淀粉,比玉米的淀粉合成速度高出8.5倍。这种方法为今后从二氧化碳中合成化学生物杂交淀粉开辟了道路。

据科研团队介绍,在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数推算,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。

业内专家称,如果未来二氧化碳人工合成淀粉的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,推动形成可持续的生物基社会,提高人类粮食安全水平。同时,最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP),为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。

论文原文

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

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关键词:
淀粉,二氧化碳,生物,合成,实现

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