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二氧化碳|“喝西北风”也能活？我国学者用二氧化碳人工合成淀粉( 二 )


天津工业生物所联合中科院大连化学物理研究所的研究者设计了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线 。这条路线仅涉及 11 步核心生化反应，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍 。
构筑新的人工光合途径
"从能量角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能 。"马延和解释 。
可如何更高效的将光能转变为化学能？模拟和借鉴自然过程，构筑新的人工光合途径，科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式，首先通过光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电水解产生氢气，然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能，该过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率 。
甲醇储存了来自太阳能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程 。于是，科研人员又利用合成生物学的思想，从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP 。
为将设计蓝图变为现实，科研人员还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，最终优中选优，使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖，最终合成了直链和支链淀粉 。
具体来看，研究者创建的新路线是通过「搭积木」的方式建立的，他们整合了化学和生物的催化模块，以生物技术创新的方式利用了高密度能量和高浓度二氧化碳 。研究人员解决了底物竞争、产物抑制和热力学适应等问题，使用空间和时间分隔系统地优化了这种混合系统 。
二氧化碳|“喝西北风”也能活？我国学者用二氧化碳人工合成淀粉
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人工合成淀粉的路线图 论文链接：DOI：10.1126/science.abh4049
简单来说，反应过程就是：
【二氧化碳|“喝西北风”也能活？我国学者用二氧化碳人工合成淀粉】CO2→C1 (分子内1个碳原子的有机物) →C3→C6→Cn (即淀粉)，从无机物到有机物的过程是第一步 。
团队对ASAP (artifical starch anabolic pathway,人工淀粉合成路线)进行了多次迭代：
ASAP1.0解决有和无的问题， 上面链条的每一步都有多种不同的路径选择，最终选择了CO2→甲醇的这条路线 。
ASAP2.0优化了反应效率
ASAP3.0 (最终版)将化学反应(CO2氢化)和后续的生物酶反应结合起来
ASAP3.1: 在最后一步使用了从Vibrio vulnificus (一种弧菌) 中获得的酶(Starch Branching Enzyme)来生成更接近现实中淀粉结构的直链-支链淀粉比例 。
不过需要注意的是，目前这个合成路线还是实验室阶段, ASAP3.0的生产效率是410mg/L/小时 。同时反应中使用了大量生物酶，对于反应条件的要求会比化学催化剂更加苛刻 。
二氧化碳|“喝西北风”也能活？我国学者用二氧化碳人工合成淀粉
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人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装
和标准天然淀粉对比，人工合成的淀粉的结构基本一致 。无论是吸收峰，还是核磁共振信号，都佐证了这种合成和天然淀粉非常接近 。下图是合成的淀粉实物图 。
二氧化碳|“喝西北风”也能活？我国学者用二氧化碳人工合成淀粉
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按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于 5 亩土地的玉米淀粉年平均产量，为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能 。此外，根据报道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率约为2%（玉米），而工业合成效率可以达到10%以上 。
难题在哪
1，合成实验是酶化学，不是全化学合成 。但酶既昂贵，反应条件又异常苛刻，反应温度调整一两摄氏度结果悬殊 。如果是全化学合成，或许可以通过加大投料、提高反应温度和反应装置压力等方式提高反应速率，但酶化学反应变动幅度大 。
2，反应需要二氧化碳和氢气 。氢气在当前很贵且存在储运难度，大规模应用的阶段必须解决氢气来源问题 。
3，反应所需的“能源充足”基本上是个伪命题 。根据文章中1立方米反应器相当于5亩玉米田淀粉产量的数据，能量消耗应该不小 。目前，用这项技术生产淀粉的总成本远高于通过农作物生产同样多的淀粉 。
总之，目前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 。据介绍，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 。


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