“空氣變面條”之后，中國科學(xué)家又有重磅成果：“空氣變油、變葡萄糖”也實現(xiàn)了！

每經(jīng)編輯 段煉    

據(jù)中新網(wǎng)，繼在國際上首次實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成之后，中國科學(xué)家團隊再次實現(xiàn)二氧化碳“變廢為寶”，他們通過電催化結(jié)合生物合成的方式，成功將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。

對此網(wǎng)友們紛紛驚嘆：“造福人類的技術(shù)”“距離喝西北風(fēng)吃飽飯的日子越來越近了”“未來可能實現(xiàn)吃空氣了”……

將二氧化碳人工轉(zhuǎn)化為高附加值化合物，“變廢為寶”，是科技界持續(xù)攻關(guān)的重要領(lǐng)域。二氧化碳除了可以“變”淀粉，還能“變”其他東西嗎？這項成果給出了肯定答案。

中國科學(xué)家獨創(chuàng)

將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖和油脂

據(jù)新華社，日前，我國科學(xué)家獨創(chuàng)了一種二氧化碳轉(zhuǎn)化新路徑，通過電催化與生物合成相結(jié)合，成功以二氧化碳和水為原料合成了葡萄糖和脂肪酸，為人工和半人工合成“糧食”提供了新路徑。

通過電化學(xué)耦合生物發(fā)酵實現(xiàn)將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為長鏈產(chǎn)品的示意圖。

圖片來源：研究團隊供圖（新華社）

葡萄糖和油脂是重要的糧食成分，通過催化過程將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖或者油脂，長期以來國內(nèi)外研究者眾多，但成功案例非常罕見。

此項研究中，科研人員首先將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，然后用釀酒酵母對乙酸進行發(fā)酵?！斑@個過程可以理解為，先將二氧化碳轉(zhuǎn)化為釀酒酵母的‘食物’乙酸，然后釀酒酵母不斷‘吃醋’來合成葡萄糖和脂肪酸?！毖芯客瓿烧咧?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾杰說。

自然界中糧食作物生長受季節(jié)、地域、氣候的影響，此項研究完全實現(xiàn)人工可控，突破了眾多外界條件限制?！袄眠@種電催化與生物合成相結(jié)合的模式，‘從無到有’地在克級水平合成了葡萄糖，這顯示了該策略較高的生產(chǎn)水平與發(fā)展?jié)摿Α！?研究完成者之一、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院研究員于濤說。

“未來，如果要合成淀粉、制造色素、生產(chǎn)藥物等，只需保持電催化設(shè)施不變，更換發(fā)酵使用的微生物就能實現(xiàn)。” 研究完成者之一、電子科技大學(xué)教授夏川表示，從科研成果的產(chǎn)出到規(guī)?；瘧?yīng)用仍有較長距離，有賴于相關(guān)技術(shù)的全面提升和成本的持續(xù)降低。未來，將進一步研究電催化與生物發(fā)酵這兩個平臺的同配性和兼容性。

上海交通大學(xué)微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新院士評價：該研究開辟了電化學(xué)結(jié)合活細胞催化制備葡萄糖等糧食產(chǎn)物的新策略，為進一步發(fā)展基于電力驅(qū)動的新型農(nóng)業(yè)與生物制造業(yè)提供了新范例，是二氧化碳利用的重要發(fā)展方向。

該成果28日以封面文章形式在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》發(fā)表。

此前已實現(xiàn)

二氧化碳到淀粉從頭合成

據(jù)中國科學(xué)報，2021年9月24日，《科學(xué)》刊發(fā)中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成方面取得的重大突破性進展。 該研究在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成 。

淀粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料。中國科學(xué)院副院長、中國科學(xué)院院士周琪表示，當今世界正面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑世界格局、創(chuàng)造人類美好未來的關(guān)鍵因素。

二氧化碳轉(zhuǎn)化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應(yīng)對挑戰(zhàn)的重大科技問題之一。

論文通訊作者，天津工業(yè)生物所所長、研究員馬延和介紹，天津工業(yè)生物所從頭設(shè)計了11步主反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與淀粉合成新途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所，利用化學(xué)催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一化合物，然后通過設(shè)計構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉。

科研團隊喬婧科研助理、蔡韜副研究員、馬延和研究員、朱蕾蕾研究員、孫紅兵科研助理（從左至右）在中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實驗室合影（9月16日攝）。圖片來源：新華社記者 金立旺 攝

這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向?qū)崿F(xiàn)設(shè)計自然、超越自然的目標邁進了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

業(yè)內(nèi)專家稱，如果未來二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性， 將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負面影響 ，推動形成可持續(xù)的生物基社會，提高人類糧食安全水平。同時，最新研究成果實現(xiàn)在無細胞系統(tǒng)中 用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的化學(xué)-生物法聯(lián)合的人工淀粉合成途徑(ASAP)，為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現(xiàn)的技術(shù)路線提供一種新思路。

“如果人工合成淀粉示范可以達到理論能量轉(zhuǎn)換效率的80%， 那么10度電大約可以合成1公斤淀粉 。 ”論文通信作者、天津工生所所長馬延和表示。

按照目前的技術(shù)參數(shù)推算， 理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)量，相當于我國5畝土地玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量 。

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部市場預(yù)警專家委員會的預(yù)測，2021-2022年度，中國玉米種植面積約6.40億畝（中國耕地總面積18.5億畝，小編注），較上年度增加2109萬畝，增長3.4%；預(yù)計玉米總產(chǎn)量2.72億噸，比上年度增長4.3%。

國內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜以u價認為，該成果是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”，“擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”；“不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義”；“將給下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來變革性影響”。

編輯|段煉 杜恒峰

校對| 程鵬

每日經(jīng)濟新聞綜合自中新網(wǎng)、新華社、中國科學(xué)報、公開資料等