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未来不需要种地,也可能满足对碳水的爱好?人工合成淀粉了解一下|新科普
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-09-25 20:21
摘要:距离工业化还有很长的路要走

“以后粮食不一定是种出来的了”,这充满遐想的跟帖评论,源于一项“从0到1”的重大原创性突破。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队,国际上首次在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成。

未来用二氧化碳“生产”粮食?科学家的脑洞确实有点大。解放日报•上观新闻记者带你了解这项“无中生有”的成果。

【玉米从播种到淀粉成熟需100-150天】

很多网友感叹,戒不掉碳水带来的快乐。淀粉,正是高分子碳水化合物,其在粮食中的占比高达70%到80%。

人类的食物是大自然光合作用的馈赠。一万多年来,农业种植是生产淀粉的唯一途径。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。

然而,农作物的种植通常需要较长周期,还需使用大量土地、淡水等资源。以玉米为例,从播种到淀粉成熟需100-150天,涉及超过60步的代谢反应和复杂的生理调控,太阳能的利用效率不超过2%。

有没有效率更高的生产淀粉的方式呢?在科学家眼里,人工光合作用的研究是一尊“化学圣杯”。长期以来,他们一直在努力改进光合作用这一生命过程。

【未来工业车间生产淀粉成为了可能】

人工合成淀粉项目首席科学家马延和提出,能否跳出“自然光合作用”的框架,用二氧化碳人工合成淀粉呢?

有意思的是,科研人员先将二氧化碳转化成甲醇,再将甲醇合成淀粉。其难点在于,自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。于是,他们挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,再优中选优,使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。


乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理(从左至右)

“就像酿造啤酒一样,我们创制了一条利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线。”天津工业生物所副研究员蔡韬告诉解放日报•上观新闻记者,他们将约60步的代谢反应简化为11步,淀粉的生产效率是玉米光合作用的8.5倍。

整个过程可在一个生物反应器中进行。按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于5亩玉米的淀粉年平均产量。

这一研究成果使淀粉从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为了可能。未来,也许不需要种地,也能满足我们对碳水的爱好。

【什么时候可以实现工业化生产】

研究显示,现在大气中的二氧化碳等温室气体数量可能处于过去300万年来最高水平。此次突破为二氧化碳合成复杂分子开辟了新的技术路线。

什么时候可以实现工业化生产呢?“现在只是基础理论的突破,距离工业化还有很长的路要走。”蔡韬再三强调,核心还是经济性问题,人工合成淀粉的效率有待继续提高。

如果未来该人工合成过程的成本能够进一步降低,与农业种植相比具有经济可行性,将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,促进碳中和的生物经济发展。

未来,值得期待。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 图片编辑:朱瓅
题图和内图来源:新华社
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