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“喝西北風(fēng)”就能飽?二氧化碳“搖身一變”成淀粉,咱農(nóng)民以后還用種地嗎?

農(nóng)視網(wǎng) 2021-09-26 22:00


大新聞!聽(tīng)說(shuō)空氣也能吃了!

啥?吃空氣?

中國(guó)科學(xué)家用二氧化碳人工合成出淀粉了,這可是全世界科研工作的一項(xiàng)重大突破!

太不可思議了!這項(xiàng)技術(shù)能給咱們的生活帶來(lái)哪些改變?以后農(nóng)民是不是可以減少種地了?

走,咱現(xiàn)在就去一探究竟,看看這個(gè)人工合成淀粉到底有多“牛”?未來(lái)有望通過(guò)工廠“制造”糧食嗎?

走起~



這項(xiàng)突破的“含金量”如何?


中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成,相關(guān)成果北京時(shí)間9月24日由國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表。這項(xiàng)科研突破的“含金量”如何?


眾所周知,淀粉是糧食最主要的成分,也是一種重要的工業(yè)原料。自然界的淀粉合成依賴植物光合作用,涉及約60步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。此次研究中,科研人員用一種類似“搭積木”的方式,從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑。


這一突破得到該領(lǐng)域一批國(guó)際知名專家的高度評(píng)價(jià)。

德國(guó)科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茲表示

將二氧化碳固定并轉(zhuǎn)化為有用的有機(jī)化學(xué)品是一項(xiàng)重大的國(guó)際挑戰(zhàn),本項(xiàng)工作將該領(lǐng)域研究向前推進(jìn)了一大步。


美國(guó)工程院院士延斯·尼爾森表示

這是利用合成生物學(xué)解決當(dāng)今社會(huì)面臨的若干重大挑戰(zhàn)的驚人案例,將為日后更多相關(guān)研究鋪平道路。


中國(guó)工程院院士陳堅(jiān)表示

這個(gè)工作是典型的“0到1”的原創(chuàng)性成果。


神戶大學(xué)副校長(zhǎng)近藤昭彥表示

這項(xiàng)研究成果將對(duì)下一代生物制造和農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)變革性影響。



這項(xiàng)突破有多難?


研究者最關(guān)鍵的工作,在于設(shè)計(jì)了一條全新的人工合成路線。它只需要11步核心生化反應(yīng),就可以完成從二氧化碳到淀粉的轉(zhuǎn)化。


反應(yīng)路線的設(shè)計(jì)從理論計(jì)算開(kāi)始,研究者以甲酸(或甲醇)作為起始反應(yīng)物,通過(guò)計(jì)算機(jī)分析起草了可能的反應(yīng)路線。這聽(tīng)起來(lái)似乎輕松,但此后的調(diào)試和優(yōu)化才是真正困難的部分。因?yàn)榧词故抢碚撋峡尚械姆磻?yīng)路徑,在現(xiàn)實(shí)中也常會(huì)遇到許多不可預(yù)料的問(wèn)題(例如不同催化酶的難以適配),導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。這就好比學(xué)做飯吧,看著別人一步步做不難,但實(shí)操起來(lái)放多少鹽、開(kāi)多大火都有可能影響最后的味道。

為了解決這些問(wèn)題,研究者將整個(gè)淀粉轉(zhuǎn)化的過(guò)程拆分成了四個(gè)模塊,并將這些模塊逐一進(jìn)行優(yōu)化。他們?cè)?1種生物體的62個(gè)催化酶里篩選出了10種,去參與11種最優(yōu)轉(zhuǎn)化反應(yīng),使得每一步都最有效、最高產(chǎn)。這樣一來(lái),他們就得到了人工淀粉合成路徑的1.0版本。

在后續(xù)的研究中,科研人員又對(duì)初始版本進(jìn)行了改進(jìn),利用各種工程修飾的酶提升反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率,由此得到了2.0版本的反應(yīng)路徑。


馬延和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的淀粉合成路徑

(看不懂就對(duì)了


在此之后,研究者又在反應(yīng)路徑的前面加上了關(guān)鍵的步驟:讓“主角”二氧化碳與氫氣結(jié)合變成甲醇。這樣一來(lái),就實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳轉(zhuǎn)化到淀粉的全過(guò)程。這一步反應(yīng)使用了氧化鋅-氧化鋯的無(wú)機(jī)催化劑,在高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)行。加上這一步驟,并改進(jìn)了底物競(jìng)爭(zhēng)等一些問(wèn)題,就形成了反應(yīng)路徑的3.0版本。

最后,通過(guò)更換路徑中的部分反應(yīng)酶,科研人員還可以可控地產(chǎn)出直鏈淀粉或者支鏈淀粉,而這也是他們目前的最新版本(ASAP 3.1)。


經(jīng)過(guò)研究者的努力,最終版本的產(chǎn)率比1.0版本提升了將近一百倍。同時(shí),人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。在充足能量供給的條件下,按照目前的技術(shù)參數(shù)推算,理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國(guó)5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。



合成淀粉能用在哪?


在科學(xué)家眼里,人工合成淀粉未來(lái)如果進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用,不僅能節(jié)約耕地和淡水資源、進(jìn)一步保障糧食安全,還將帶來(lái)諸多想象空間。



人工合成淀粉對(duì)于解決農(nóng)業(yè)問(wèn)題有著巨大意義。民以食為天,我國(guó)的耕地面積為150多萬(wàn)平方千米,占國(guó)土面積的16%左右,也就是說(shuō),不到五分之一,剩下五分之四的國(guó)土面積都是不能作為耕地的。有了這種技術(shù),高山峽谷、沙漠、冰原,這些地方都可以成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)地。

業(yè)內(nèi)專家稱,采用這種工業(yè)辦法,將會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源,避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì),提高人類糧食安全水平。



這是不是意味著我們可以不需要依賴農(nóng)耕,直接用“空氣”制造糧食和工業(yè)原料,真正實(shí)現(xiàn)“西北風(fēng)喝到飽”呢?


這么說(shuō)還為時(shí)尚早。這項(xiàng)研究,確實(shí)為實(shí)現(xiàn)高效的工業(yè)化淀粉生產(chǎn)提供了可能性,但是作為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)出的初步成果,還需要科學(xué)家們持續(xù)的優(yōu)化和推動(dòng),才能讓這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室,投入實(shí)際應(yīng)用。此外,要讓人工合成淀粉與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性,也需要一個(gè)艱難、持續(xù)的科技攻關(guān)過(guò)程。



不過(guò),這一技術(shù)確實(shí)為碳的捕集、利用和封存提供了全新的循環(huán)方案。讓排放在空氣中的碳回到生產(chǎn)生活的循環(huán)中,不僅可以回收利用二氧化碳,還能生產(chǎn)人類賴以生存的食糧,可謂一石二鳥(niǎo),從而大大促進(jìn)了低碳生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展,為全球碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)起到重大的支撐作用。


這項(xiàng)研究還為復(fù)雜分子的人工定向合成打開(kāi)了大門。

2019年,美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的華人科學(xué)家楊培東團(tuán)隊(duì)潛心鉆研人工光合作用,成功在實(shí)驗(yàn)室中將二氧化碳不定向轉(zhuǎn)化為多種簡(jiǎn)單糖類化合物,而此次馬延和團(tuán)隊(duì)則具有創(chuàng)新性地創(chuàng)建了人工產(chǎn)出復(fù)雜碳水化合物的路徑和技術(shù)。

馬延和科研團(tuán)隊(duì)
沒(méi)想到吧,隨處可“見(jiàn)”、甚至有些過(guò)剩的二氧化碳,竟能變成我們口中的食物。其實(shí),二氧化碳在耕作中早已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。

比如“氣肥”,溫室里直接施用二氧化碳作肥料,利用植物根部吸收二氧化碳,可以增進(jìn)植物的光合作用,促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng),增加產(chǎn)量。(點(diǎn)擊此處了解詳情)

此外,二氧化碳還可以用于貯藏糧食、水果、蔬菜等,可有效地防止食品中細(xì)菌、蟲(chóng)子生長(zhǎng)并保鮮。

在科技越來(lái)越發(fā)達(dá)的未來(lái)

相信會(huì)有更多

變“廢”為寶的科研項(xiàng)目誕生

我們共同期待

下一次

被合成出來(lái)的會(huì)是什么呢?


來(lái)源丨新華社、果殼、央視新聞、中國(guó)新聞網(wǎng)
編輯|康軒山?
主編丨蔣琳?監(jiān)審丨鐘倩

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