我國(guó)人民偏重碳水飲食,清代美食家袁枚在《隨園食單》中寫(xiě)到“粥飯本也,余菜末也”,足見(jiàn)國(guó)人對(duì)碳水的寵愛(ài)。這里說(shuō)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(lái)養(yǎng)活全球百億人口最重要的食物原料。
農(nóng)作物通過(guò)光合作用,將太陽(yáng)光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為淀粉。可以說(shuō),光合作用是地球長(zhǎng)期進(jìn)化中,被自然界選擇利用光能合成淀粉的生命過(guò)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^(guò)60步生物化學(xué)反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控,太陽(yáng)能的利用效率不超過(guò)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(zhǎng)期以來(lái),科研人員一直在努力改進(jìn)光合作用這一生命過(guò)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(méi)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(lái)了解下科研人員是如何設(shè)計(jì)并實(shí)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(yáng)光能轉(zhuǎn)化為淀粉中儲(chǔ)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(guò)光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,通過(guò)光伏電水解產(chǎn)生氫氣,然后通過(guò)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(chǔ)存的化學(xué)能,該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%,遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率。甲醇儲(chǔ)存了來(lái)自太陽(yáng)能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過(guò)程??蒲腥藛T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(jì)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(jì)藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),科研人員挖掘與改造了來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等31種不同物種的62個(gè)生物酶催化劑,最終優(yōu)中選優(yōu),使用10個(gè)酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖,最后轉(zhuǎn)化為淀粉。整個(gè)過(guò)程可在一個(gè)生物反應(yīng)器中進(jìn)行,1立方米生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)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(lái),二氧化碳也能夠滿足我們對(duì)碳水的愛(ài)好。
責(zé)任編輯:張鵬輝
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