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又有颠覆性技术!

时间:2021-09-24 12:41:52|浏览:

植物光合用途的瓶颈

中国人民偏重碳水饮食,清代美食家袁枚曾在《随园食单》中如此写到,“粥饭本也,余菜末也”,足见国人对碳水的溺爱。这里所说的碳水即碳水化合物,由碳、氢、氧组成,是人类存活必不可少的元素。而淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物,它是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,占全球热量摄入的 80% 以上,是养活全球人口非常重要的食物材料,同时也是要紧的工业材料。

多少年来,农作物通过光合用途,将水、二氧化碳等无机化合物合成可作为动物饲料和人类食物的糖类乃至淀粉等碳水化合物,是地球上非常重要的生物化学反应过程。但这是效率最高的淀粉生产方法吗?

依据论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和提供的数据,在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉,涉及约60步代谢反应与复杂的生理调控,太阳能的借助效率不足2%。

“植物经过亿万年进化,适应了自然环境,其固有属性制约了淀粉高效合成。”马延和称。

有没一种方法可以摆脱植物来合成淀粉?自合成生物学诞生以来,大家就开始尝试人工构建非自然渠道,达成二氧化碳到淀粉的转化,以突破植物媒介光合用途的瓶颈。

天津工业生物所自2021年起,即聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化借助,拓展需要导向的科技攻关。

构筑新的人工光合渠道

“从能量角度看,光合用途的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。”马延和讲解。

可怎么样更高效的将光能转变为化学能?模拟和借鉴自然过程,构筑新的人工光合渠道,科研职员想到了光能—电能—化学能的能量转变方法,第一通过光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气,然后通过催化借助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,该过程的能量转化效率超越10%,远超光合用途的能量借助效率。

甲醇储存了来自太阳能的能量,但自然界中并没有甲醇合成淀粉的生命过程。于是,科研职员又借助合成生物学的思想,从大量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。

为将设计蓝图变为现实,科研职员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最后优中选优,用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最后合成了直链和支链淀粉。

“这个合成过程涉及二氧化碳和氢气的用,该研究成就为大家将来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性要紧物质提供了新的技术路线。”《科学》杂志新闻部实行主任梅根·菲兰如是评价。

实质应用还有相当长距离

“这是‘道法自然’,达成人工光合用途合成淀粉的一种过程。”马延和说,从科学突破角度看,这一人工渠道的淀粉合成,向设计自然、超越自然目的的达成迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

从技术革新角度看,通过进步高效的人工催化剂和生物酶,研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新渠道。根据20%的光电转化效率计算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%,其淀粉合成速率比自然光合用途提升了3.5倍。

具体来讲,这意味着什么?论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬讲解,根据现在技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量等于5亩土地玉米种植的淀粉产量。“这一成就为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗。”

在江南大学原校长、中国工程院院士陈坚看来,食品生产大约占据了全球40%的耕地,产生了25%的温室气体,作为最主要的粮食成分之一,淀粉的可持续提供是人类将来面临的要紧挑战。这项研究成就将化学与生物的办法相结合,使用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术,从二氧化碳直接合成淀粉,完全颠覆了传统的淀粉生产方法。这项研究工作是典型的从“0”到“1”的原创性成就,它不只对将来的农业生产,尤其是粮食生产具备革命性的影响,而且对全球生物制造产业的进步具备里程碑式的意义。

马延和表示,假如将来该系统过程本钱可以减少到与农业种植相比具备经济可行性,或有可能会节省90%以上的耕地和淡水资源,防止农药、化肥等对环境的负面影响,提升人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济进步,推进形成可持续的生物基社会。

不过,他同时强调,现在该成就尚处于实验室阶段,离实质应用还有相当长的距离,且面临着很多挑战。

“后续,研究团队还需要尽快达成从0到1的定义突破到1到10和10到100的转换,最后真的成为解决人类进步面临重大问题和需要的有效方法和工具。”周琪表示,中科院将集成有关科技力量,一如既往地支持该项研究深入推进。

设想一下,无需种地,也无需绿色植物,以太阳光、水和二氧化碳为材料,在工厂里就可以像植物一样生产出源源持续的淀粉……是否非常神奇?这看上去遥不可及的一幕,在不久的以后,有望从梦想照进现实。

最近,中科院天津工业生物技术研究所与中科院大连化学习物理研究所等院内外研究团队联合攻关,创制了一条借助二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线——ASAP路线,在实验室初次达成了从二氧化碳到淀粉的从头全合成,也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。有关科学研究成就的论文24日在线发表于国际学术期刊《科学》。

“不依靠植物光合用途,设计人工生物系统固定二氧化碳,合成淀粉,将是影响世界的重大颠覆性技术。”专家表示。

“当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,科技革新已成为重塑全球格局、创造人类美好将来的重要原因。”在中科院副院长周琪看来,二氧化碳的转化借助与人工合成淀粉,正是应付挑战的重大科技问题之一。

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