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满足碳水爱好必须要种地?科研人员开发二氧化碳人工制淀粉技术

发布时间:2021-09-24

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  我国人民偏重碳水饮食,清代美食家袁枚在《随园食单》中写到“粥饭本也,余菜末也”,足见国人对碳水的宠爱。这里说的碳水即碳水化合物,由碳、氢、氧组成,是人类生存必不可少的元素。淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,也是未来养活全球百亿人口最重要的食物原料。

  农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化为淀粉。可以说,光合作用是地球长期进化中,被自然界选择的利用光能合成淀粉的生命过程。但是,这是效率最高的淀粉生产方式吗?在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉涉及超过60步的生物化学反应和复杂的生理调控,太阳能的利用效率不超过2%。因此,农作物的种植通常需要数月的周期,需要使用大量的土地、淡水等资源,以及肥料、农药等物品。长期以来,科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。除了光合作用外,还有没有效率更高的二氧化碳生产淀粉的方式呢?

  近日,中科院的科研人员创制了一条利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线,命名为ASAP路线(Artificial Starch Anabolic Pathway)。该路线仅涉及11步生化反应,淀粉的生产效率是玉米光合作用的8倍以上。我们来了解下科研人员是如何设计并实现这条ASAP路线的呢?从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。如何更高效的将光能转变为化学能呢?科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式,首先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,然后通过催化利用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过10%,远超光合作用的能量利用效率。甲醇储存了来自太阳能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。科研人员利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。为将设计蓝图变为现实,科研人员挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用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,最后转化为淀粉。整个过程可在一个生物反应器中进行,1立方米生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量。值得一提的是,ASAP不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉,也许在不久的将来,不需要种地,也能够满足我们对碳水的爱好。

(责任编辑:侯茜)

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