滿足碳水愛好必須靠種地嗎?二氧化碳和氫氣在一起會發(fā)生怎樣的反應(yīng)?

9月23日，中國科學(xué)院召開本年度首場新聞發(fā)布會，介紹該院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在人工合成淀粉方面取得的重要進展。該所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產(chǎn)生的氫氣為原料，成功生產(chǎn)出淀粉，在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，取得原創(chuàng)性突破。相關(guān)研究成果9月24日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

淀粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是重要的工業(yè)原料。

目前，淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成。在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸凵婕?0余步的代謝反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的理論利用效率不超過2%。農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等資源。

“長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。”論文通訊作者、中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和直言。

那么，除了光合作用外，還有沒有效率更高的二氧化碳生產(chǎn)淀粉的方式?

為解決這一難題，中科院天津工業(yè)生物所研究人員從頭設(shè)計了11步主反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合中科院大連化學(xué)物理研究所，利用化學(xué)催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一(C1)化合物，然后通過設(shè)計構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。

“這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設(shè)計自然、超越自然目標的實現(xiàn)邁進了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。”論文第一作者、中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜說。

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)淀粉量相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

馬延和表示，該成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開了一扇窗，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展，推動形成可持續(xù)的生物基社會。

同時，中國科學(xué)院副院長、黨組成員，中國科學(xué)院院士周琪在發(fā)布會上強調(diào)，這項成果尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當長的距離，后續(xù)還需要盡快實現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。

此外，該成果也得到了國內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u價。《科學(xué)》雜志新聞部執(zhí)行主任梅根·菲蘭認為，該研究成果將為我們未來通過工業(yè)生物制造生產(chǎn)淀粉這種全球性重要物質(zhì)提供新的技術(shù)路線;中科院院士趙國屏表示，這是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果;德國科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士曼弗雷德⋅雷茲稱，本項工作將該領(lǐng)域的研究向前推進了一大步，同時將天津工業(yè)生物技術(shù)研究所推向了國際頂尖水平。

(文中圖片均由科技日報記者陸成寬拍攝)