当前位置: 首页 >>科普
中国科学家用二氧化碳制造淀粉
系人类首次 比种庄稼更快更高效
作者:王怡博 编辑:姚志文 来源:环球科学 发布时间:2021-09-30 08:04:13

 

  近期,中国科学院的科学家做出了突破性的研究,通过一种比植物光合作用更有效的人工合成方式,将二氧化碳直接转化为了淀粉。其淀粉合成速率甚至超越了自然中的植物——是天然合成速率的8.5倍。这在国际上还尚属首次,而这项研究的意义或许比我们认为的更加深远。


被小麦“驯服”的人类
  大约公元前4000年,人类的身份发生了一次重大的改变,从在大陆上迁徙的狩猎-采集者,变成了在一个固定的地方定居的农民,而其中的原因就是小麦等粮食作物对人类的“驯化”。这些作物能满足人类的能量需求,使得人类群体的数量愈发壮大。
  人类在适宜的季节种下作物幼苗,经过了艰苦的操劳过程后,收获粮食。而对植物来说,恰当的光照、温度和生长条件,才能使其叶子进行光合作用以固定二氧化碳;并在复杂的酶调控下,经历60多步反应,最终将二氧化碳转化为淀粉,富集到种子中。
  但是理论上,作物在自然环境中只有约2%的光合作用效率,也就是说在植物吸收的太阳能中,大概只有2%的能量用于二氧化碳向淀粉的转化。由于生活、生产的各个方面都离不开淀粉,而目前淀粉的合成主要来自于农作物,这可能会加重农业压力,因而需改善或重建合成淀粉的方法。
  中国科学院天津工业生物技术研究所的研究团队就在考虑,如果可以不依赖植物,通过人工的途径,直接利用二氧化碳来生产淀粉,或许可以减轻农业压力。最终,他们通过学习和模拟植物的光合作用,实现了这个过程。近日,在一项发表于《科学》的研究中,他们开发了一种新的、具有颠覆性的人工合成淀粉的方法 (artificialstarchanabolicpathway,ASAP),在全球首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。
取代植物有多难?
  随着二氧化碳导致全球变暖的情况日趋严重,科学家开始尝试通过固定二氧化碳,将其转化为有机物,来缓解气候危机。
  2018年,在一篇发表于《焦耳》(Joule)的综述性文章中,中国科学院的多位院士首次联合提出了“液态阳光”(LiquidSunshine)这一概念。“液态阳光”指的是,不依赖植物,利用太阳能、二氧化碳和水,产生可再生的绿色燃料,包括甲醇和乙醇等。这个过程有利于实现二氧化碳的资源化利用,促进碳中和目标的实现。
  而相比之下,天津工业生物技术研究所的科学家研究的淀粉的结构更加复杂,它是一种高分子碳水化合物,是由葡萄糖分子聚合而成的多糖,在结构上还有直链和支链之分,其人工合成要更困难。为了实现从二氧化碳到淀粉的全合成,他们克服了多个难关。
  这种人工合成淀粉的方法比植物天然合成淀粉更具优势,其淀粉合成速率约是天然合成速率的8.5倍,而且从太阳能到淀粉的能量转化效率约是自然光合作用的3.5倍。相比于植物需要60多步反应,仅11步的人工合成方法,可以说是一种重大的胜利。
从无机到有机的梦想
  这次中科院天津工业生物技术研究所的科学家,在国际上首次突破二氧化碳到淀粉的从头人工合成。植物产生的淀粉中有约20%~30%是直链淀粉,剩下的是支链淀粉。而研究人员可以通过调整反应过程,如加入淀粉分支酶,来改变产物中直链淀粉和支链淀粉的比例。
  他们通过学习、模仿自然,设计、组装出了自然界不存在的化学-生化反应路径,大大提高了工作效率,最终实现了“超越”自然。虽然目前人工合成淀粉仍处于实验成果阶段,从实验室向工业应用的转化,对于科学家来说,还要走很长一段路,但“这孕育了巨大的产业变革新机,对于二氧化碳资源化,将其转变为食品、材料、化学品等绿色低碳产业的发展产生了重大影响,”马延和所长说,“这也是建立一个创新赛道的新起点。”据环球科学 王怡博 


分享到:
分享到微信朋友圈 X

打开微信,点击底部的“发现”,

使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。

更多分享 X
一键分享
QQ好友
QQ空间
新浪微博
微信
腾讯朋友
百度贴吧
豆瓣网
邮件分享
有道云笔记
人人网
花瓣