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贰氧化碳人工合成澱粉 不用種地嗎
贰氧化碳人工合成澱粉 不用種地嗎贰氧化碳人工合成澱粉 不用種地嗎
近期，中科院天津工業生物技術研究所在澱粉人工合成方面取得突破性進展，在國際上首次實現贰氧化碳到澱粉的從頭合成。相關成果於9月24日在線發表在國際學術期刊《科學》上。
這項相關成果使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能，並為贰氧化碳原料合成復雜分子提供了新的技術路線。專家認為，這是壹項顛覆式的創新，未來有望解決糧食問題。
焦點1：贰氧化碳人工變澱粉，如何實現的？
澱粉是具有重要營養價值的主要碳水化合物。農作物通過光合作用，將太陽光能、贰氧化碳和水轉化為澱粉。但是，在玉米等農作物中，將贰氧化碳轉變為澱粉涉及超過60步的生物化學反應和復雜的生理調控，太陽能的利用效率不超過2%。
從能量角度看，光合作用的本質是將太陽光能轉化為澱粉中儲存的化學能。如何更高效地將光能轉變為化學能？
據中科院官網信息顯示，科研人員想到了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，首先通過光伏發電將光能轉變為電能，通過光伏電水解產生氫氣，然後通過催化利用氫氣將贰氧化碳還原生成甲醇，將電能轉化為甲醇中儲存的化學能，該過程的能量轉化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率。
甲醇儲存了來自太陽能的能量，但是自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程。科研人員利用合成生物學的思想，從海量的生物化學反應數據中設計出了甲醇到澱粉的人工路線ASAP（Artificial Starch Anabolic Pathway）。
為將設計藍圖變為現實，科研人員挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑，最終優中選優，使用10個酶逐步將壹碳的甲醇轉化為叁碳的贰羥基丙酮，進壹步轉化為六碳的磷酸葡萄糖，最後轉化為澱粉。
焦點2：合成的澱粉和自然澱粉壹樣嗎？這種合成有何優勢？
“我們通過了科學上的金標准，就是核磁檢測。拿我們合成的直鏈澱粉和支鏈澱粉與自然界中的進行比對，得到的核磁結果壹模壹樣。”中科院天津工業生物所副研究員蔡韜說，合成的澱粉實際上和自然澱粉沒有區別。
據悉，傳統澱粉依賴提取，產物多為大分子支鏈澱粉。ASAP不僅能合成易消化的支鏈澱粉，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈澱粉。
中科院科研人員創制的利用贰氧化碳和電能合成澱粉的人工路線，僅涉及11步生化反應，澱粉的生產效率是玉米光合作用的8倍以上。整個過程可在壹個生物反應器中進行，1立方米生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉產量。
焦點3：為何要擺脫植物進行贰氧化碳固定？
當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等壹系列重大挑戰。贰氧化碳的轉化利用與糧食澱粉工業合成，正是應對挑戰的重大科技問題之壹。
隨著地球人口數量規模急劇擴張，可用耕地面積萎縮，糧食安全、溫飽問題越發突出。種植獲得富含澱粉的食物，可以滿足人類對澱粉的需求，但受自然天氣和耕種影響較大。新的成果可以擺脫耕地和自然環境限制，使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。
傳統種植獲取澱粉會使用大量的氮磷鉀肥、農藥等，長時間使用容易造成土壤理化性質惡化，作物果實品質降低，對人類健康產生影響。此次研究成果提出的澱粉制備方法，避免使用農藥等，所獲得的產品更加健康。
蔡韜在接受《科技日報》記者采訪時表示，擺脫植物進行贰氧化碳固定是科學家多年來的夢想，贰氧化碳人工生物轉化方面是國際上研究的熱點和難點。
過去幾年，僅在《細胞》《自然》《科學》上發表的相關論文就不下拾篇，主要集中在贰氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美國國家航空航天局（NASA）提出了贰氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰計劃，但是目前澱粉的從頭人工合成還沒有實現突破。中科院天津工業生物技術研究所在國際上首次做到了從贰氧化碳到澱粉的全合成，這種人工合成澱粉的方式展現了超越自然澱粉合成方式的極大潛力。
焦點4：這項人工合成澱粉技術有何意義？
中國農業大學食品科學與營養工程學院副教授朱毅稱，這項研究成果不依賴植物、細菌的光合作用，設計了人工系統固定贰氧化碳合成澱粉，轉變了原本的思維方式，優化了既有的合成步驟。“這不是跟隨式的發明，而是顛覆式的創新，它讓我們看到，無限可以利用的能源就是無限的糧食。”她認為，現在研究還處於實驗室階段，未來合成澱粉可能優先代替工業澱粉。
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這項相關成果使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能，並為贰氧化碳原料合成復雜分子提供了新的技術路線。專家認為，這是壹項顛覆式的創新，未來有望解決糧食問題。
焦點1：贰氧化碳人工變澱粉，如何實現的？
澱粉是具有重要營養價值的主要碳水化合物。農作物通過光合作用，將太陽光能、贰氧化碳和水轉化為澱粉。但是，在玉米等農作物中，將贰氧化碳轉變為澱粉涉及超過60步的生物化學反應和復雜的生理調控，太陽能的利用效率不超過2%。
從能量角度看，光合作用的本質是將太陽光能轉化為澱粉中儲存的化學能。如何更高效地將光能轉變為化學能？
據中科院官網信息顯示，科研人員想到了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，首先通過光伏發電將光能轉變為電能，通過光伏電水解產生氫氣，然後通過催化利用氫氣將贰氧化碳還原生成甲醇，將電能轉化為甲醇中儲存的化學能，該過程的能量轉化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率。
甲醇儲存了來自太陽能的能量，但是自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程。科研人員利用合成生物學的思想，從海量的生物化學反應數據中設計出了甲醇到澱粉的人工路線ASAP（Artificial Starch Anabolic Pathway）。
為將設計藍圖變為現實，科研人員挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑，最終優中選優，使用10個酶逐步將壹碳的甲醇轉化為叁碳的贰羥基丙酮，進壹步轉化為六碳的磷酸葡萄糖，最後轉化為澱粉。
焦點2：合成的澱粉和自然澱粉壹樣嗎？這種合成有何優勢？
“我們通過了科學上的金標准，就是核磁檢測。拿我們合成的直鏈澱粉和支鏈澱粉與自然界中的進行比對，得到的核磁結果壹模壹樣。”中科院天津工業生物所副研究員蔡韜說，合成的澱粉實際上和自然澱粉沒有區別。
據悉，傳統澱粉依賴提取，產物多為大分子支鏈澱粉。ASAP不僅能合成易消化的支鏈澱粉，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈澱粉。
中科院科研人員創制的利用贰氧化碳和電能合成澱粉的人工路線，僅涉及11步生化反應，澱粉的生產效率是玉米光合作用的8倍以上。整個過程可在壹個生物反應器中進行，1立方米生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉產量。
焦點3：為何要擺脫植物進行贰氧化碳固定？
當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等壹系列重大挑戰。贰氧化碳的轉化利用與糧食澱粉工業合成，正是應對挑戰的重大科技問題之壹。
隨著地球人口數量規模急劇擴張，可用耕地面積萎縮，糧食安全、溫飽問題越發突出。種植獲得富含澱粉的食物，可以滿足人類對澱粉的需求，但受自然天氣和耕種影響較大。新的成果可以擺脫耕地和自然環境限制，使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。
傳統種植獲取澱粉會使用大量的氮磷鉀肥、農藥等，長時間使用容易造成土壤理化性質惡化，作物果實品質降低，對人類健康產生影響。此次研究成果提出的澱粉制備方法，避免使用農藥等，所獲得的產品更加健康。
蔡韜在接受《科技日報》記者采訪時表示，擺脫植物進行贰氧化碳固定是科學家多年來的夢想，贰氧化碳人工生物轉化方面是國際上研究的熱點和難點。
過去幾年，僅在《細胞》《自然》《科學》上發表的相關論文就不下拾篇，主要集中在贰氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美國國家航空航天局（NASA）提出了贰氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰計劃，但是目前澱粉的從頭人工合成還沒有實現突破。中科院天津工業生物技術研究所在國際上首次做到了從贰氧化碳到澱粉的全合成，這種人工合成澱粉的方式展現了超越自然澱粉合成方式的極大潛力。
焦點4：這項人工合成澱粉技術有何意義？
中國農業大學食品科學與營養工程學院副教授朱毅稱，這項研究成果不依賴植物、細菌的光合作用，設計了人工系統固定贰氧化碳合成澱粉，轉變了原本的思維方式，優化了既有的合成步驟。“這不是跟隨式的發明，而是顛覆式的創新，它讓我們看到，無限可以利用的能源就是無限的糧食。”她認為，現在研究還處於實驗室階段，未來合成澱粉可能優先代替工業澱粉。
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