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中科院实现“人工光合作用”用CO₂合成淀粉,效率比玉米高8.5倍

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量子位 2021-09-24 13:20

二氧化碳为原料、不依赖植物光合作用——

中科院在国际上首次实现了人工淀粉的合成

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△ 图源新华社微博

人工把空气中的二氧化碳变成淀粉,这一颠覆性成果通俗点说,就是既能解决粮食危机问题又能解决碳排放问题,可谓是一箭双雕。

而且“性能”还很优秀:人工步骤比植物合成约少50步,速度也从几个月快进到了几个小时,能量转化效率更是玉米的3.5倍

该成果一举登上最新一期Science。

德国科学院院士曼弗雷德・雷兹、美国工程院院士延斯⋅尼尔森等国际知名专家均给予高度评价。

今早的央视新闻也进行了长达5分钟的报道。

在微博等平台,网友们更是兴奋地炸开了锅:

“早上在广播里听到了,科学家了不起!”

“饭碗端得更牢实了!”

“这个太好了!希望赶紧能实现应用!”

说到应用,大家的畅想那可真不少:即使一时半会用不到粮食上,工业也可以,毕竟淀粉可是很多工业产品的原料;或者带到外太空也行,比如火星[旺柴]。

最搞笑的是调侃叶绿素的:

叶绿素:你礼貌吗?

先来看看这“凭‘空’造淀粉”的魔法是怎么变的。

魔法师们来自中科院天津工业生物所科研团队与大连化物所。

整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料。

将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物。

然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。

生物合成过程大致是先做化学反应——利用高密度电/氢能将二氧化碳还原为碳一化合物

再做生物反应——将碳一化合物聚合为碳三化合物、碳六化合物(即葡萄糖)直至长链淀粉分子

通过耦合化学催化和生物催化,科学家们最终成功构建出一条从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径。

ps.生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键,研究人员从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘出了最合适的生物酶催化剂。

而在玉米等农作物中,自然光合作用的淀粉合成涉及60多步生化反应以及复杂的生理调控。

除了步骤更少,中科院这个合成淀粉技术还具有更高的能量转化效率合成速度

相比自然界数个月的合成时间,实验室里只需大约4个小时

相比玉米2%的理论能量转化效率,该技术从太阳能到淀粉的转化率为7%,提高了3.5倍,且淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍

而最终通过核磁检测发现,该人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致,也就是两者没有区别。

以上优秀的成绩使固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能。

虽然在实验室里,规模还比较小,平均1小时能合成出的淀粉只有几克;

但在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数推算,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。

等于是产量这么高,还不需要阳光、灌溉、施肥等操作,直接就在车间全天候“马不停蹄”地生产。

这厉害之处正如Science国际及学术出版合作总监所言,不仅在生物合成生物制造领域是一个重大的里程碑突破,下一步对农业生产、工业制造都提供了一个新的途径。

更具体的如中科院天津工业生物所所长马延和说,一旦工业实现,它会对我们的粮食安全二氧化碳的利用,以及双碳目标都会起到非常重大的支撑作用。

所以这是网友理解的这样吗:“碳中和大杀器”?

不过科学家们也说了,现在实验室出的都是少量样品,且目前合成的还是直链淀粉(当然再加入一个分支酶,也可以把它做成支链淀粉),要实现工业化生产,还需解决诸多科技难题

一方面,在工程生物学基础理论和工程设计方面有问题要解决;

另一方面,主要是从经济性上考虑,从控制过程成本初步计算,只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍,淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍,才能与农业种植竞争。

那接下来,就且看中科院的科学家们如何实现从“0到1”的概念突破到“1到10”的大转换吧。

参考链接:

[1]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1711740926841426273&wfr=spider&for=pc

[2]http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/9/365498.shtm

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责任编辑:谢子辉_NBJS16177
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