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我國人民偏重碳水飲食，清代美食家袁枚在《隨園食單》中寫到“粥飯本也，余菜末也”，足見國人對碳水的寵愛。這里說的碳水即碳水化合物，由碳、氫、氧組成，是人類生存必不可少的元素。淀粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是未來養(yǎng)活全球百億人口最重要的食物原料。
農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為淀粉。可以說，光合作用是地球長期進化中，被自然界選擇利用光能合成淀粉的生命過程。但是，這是效率最高的淀粉生產(chǎn)方式嗎？在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸凵婕俺^60步生物化學(xué)反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的利用效率不超過2%。因此，農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)月的周期，需要使用大量的土地、淡水等資源，以及肥料、農(nóng)藥等物品。長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。除了光合作用外，還有沒有效率更高的二氧化碳生產(chǎn)淀粉的方式呢？
近日，中科院的科研人員創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電能人工合成淀粉的路線，命名為ASAP路線（Artificial Starch Anabolic Pathway）。該路線僅涉及11步生化反應(yīng)，淀粉的生產(chǎn)效率是玉米光合作用的8倍以上。我們來了解下科研人員是如何設(shè)計并實現(xiàn)這條ASAP路線的呢？從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為淀粉中儲存的化學(xué)能。如何更高效地將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能呢？科研人員想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)化方式，首先通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過光伏電水解產(chǎn)生氫氣，然后通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲存的化學(xué)能，該過程的能量轉(zhuǎn)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，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。科研人員利用合成生物學(xué)的思想，從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計出了一條僅包含10步反應(yīng)的甲醇到淀粉的人工路線ASAP。為將設(shè)計藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實，科研人員挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31種不同物種的62個生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最后轉(zhuǎn)化為淀粉。整個過程可在一個生物反應(yīng)器中進行，1立方米生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量。值得一提的是，ASAP不僅能合成易消化的支鏈淀粉，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉，也許在不久的將來，二氧化碳也能夠滿足我們對碳水的愛好。
責任編輯：張鵬輝
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