水+二氧化碳+电=淀粉

我科学家在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的人工合成

  光明日报北京9月24日凌晨电(记者齐芳)淀粉是人类最基本和最重要的食物,也是重要的工业原料。传统淀粉的生产主要靠玉米等农作物通过光合作用,将二氧化碳等无机化合物合成为淀粉,需要漫长的生长周期,对土地、水、肥料、日照等资源都有要求,能量的转化率也不高。那么,有没有一种方法能够人工合成淀粉,让人类摆脱对资源的重度依赖?这是国际学术界竞争激烈的焦点科学问题。

水+二氧化碳+电=淀粉

  图为中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬在实验室展示人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图

  中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“工业生物所”)和中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大化所”)的科学家们合作探索出一条“无中生有”的技术路线,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉分子的全合成。相关工作9月24日发表于国际学术期刊《科学》上。

  多位中外专家评论认为,不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉,将是影响世界的重大颠覆性技术。这更让人们看到一种可能——农业可以由种植模式向工业车间生产模式转变,人类向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

  文章的通讯作者、工业生物所所长马延和研究员介绍,工业生物所的科研人员从头设计了11步反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径。简单地说,这个过程只需要水、二氧化碳和电——分解水产生的氢气作为还原力、将二氧化碳加氢转化为甲醇分子,把可再生能源存储在液体燃料中;然后以甲醇为碳骨架和能源载体,进一步通过酶催化的反应,合成生物大分子葡萄糖,最后进行聚合产生淀粉。

  马延和说:“我们采用了一种类似‘搭积木’的方式,联合大化所利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物,最后通过合成途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六化合物,再进一步合成直链和支链淀粉。”按照目前技术参数,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的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(按我国玉米淀粉平均亩产量计算);合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

  中国科学院副院长、中科院院士周琪说:“这一成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续要尽快实现从‘1到10’的突破和‘10到100’的突破,最终真正解决人类发展面临的重大问题。”马延和介绍,科研人员正在针对工业化的问题进行攻关,比如解决酶的稳定性、活力、成本等问题,探索多条技术路线等,“预计未来5到10年能够建立起工业化示范装置”。