中國科學(xué)家最近首次報道了從二氧化碳(CO2)合成人造淀粉的從頭路線。相關(guān)結(jié)果于9月24日發(fā)表在Science上。
新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植轉(zhuǎn)向工業(yè)制造成為可能，為從CO2合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。
淀粉是糧食的主要成分，也是重要的工業(yè)原料。目前主要由玉米等作物通過光合作用固定CO2產(chǎn)生。這個過程涉及大約60個生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)。該工藝的理論能量轉(zhuǎn)換效率僅為2%左右。
迫切需要可持續(xù)供應(yīng)淀粉和利用 CO2 的戰(zhàn)略來克服人類面臨的重大挑戰(zhàn)，例如糧食危機(jī)和氣候變化。設(shè)計植物光合作用以外的新途徑將 CO2轉(zhuǎn)化為淀粉是一項重要的創(chuàng)新科技任務(wù)，并將成為當(dāng)今世界的一項重大顛覆性技術(shù)。
為了解決這個問題，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(TIB)的科學(xué)家們設(shè)計了一種化學(xué)酶系統(tǒng)以及一種僅由11個核心反應(yīng)組成的人造淀粉合成代謝路線，將CO2轉(zhuǎn)化為淀粉。
這條路線是通過“積木”策略建立的，其中研究人員整合了化學(xué)和生物催化模塊，以生物技術(shù)創(chuàng)新的方式利用高密度能量和高濃度 CO2。
研究人員通過解決底物競爭、產(chǎn)物抑制和熱力學(xué)適應(yīng)等問題，使用空間和時間隔離系統(tǒng)地優(yōu)化了這種混合系統(tǒng)。
人工途徑可以從 CO2 中生產(chǎn)淀粉，其效率是玉米中淀粉生物合成的 8.5 倍，表明向超越自然邁出了一大步。它為創(chuàng)建具有前所未有功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
“按照目前的技術(shù)參數(shù)，在不考慮能量輸入的情況下，一立方米生物反應(yīng)器的年淀粉產(chǎn)量理論上相當(dāng)于種植 1/3 公頃玉米的淀粉年產(chǎn)量，”該研究的第一作者蔡濤說。研究。
這項工作將為從 CO2工業(yè)制造淀粉打開一扇窗。
該研究的通訊作者馬彥河說：“如果未來該過程的總體成本能夠降低到經(jīng)濟(jì)上可與農(nóng)業(yè)種植相媲美的水平，預(yù)計將節(jié)省90%以上的耕地和淡水資源。”
此外，它還有助于避免使用農(nóng)藥和化肥對環(huán)境的負(fù)面影響，改善人類糧食安全，促進(jìn)碳中和生物經(jīng)濟(jì)，最終促進(jìn)可持續(xù)的生物社會的形成。
TIB從2015年開始專注于人造淀粉生物合成和CO2 的利用，開展這種以需求為導(dǎo)向的科技研究，匯聚各類創(chuàng)新資源，加強(qiáng)“學(xué)科、任務(wù)、平臺”的整合，實(shí)現(xiàn)研究工作的有效協(xié)調(diào)。
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