中科院“二氧化碳制糖”新成果全网热议!不依赖光合作用,“迈向深空前置技术”

明敏 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

真不是科幻电影,不用经过任何细胞,能实现“二氧化碳制糖”了。

就在最近,中国科学院天津工业生物技术研究所提出一项新技术,首次通过构建体外转化系统,打通了“CO₂→甲醇→蔗糖”这一合成路径。

这事儿马上引发全网围观,央视已火速报道。

人类通常获取蔗糖的途径,就是种地——种甘蔗、甜菜,因为只有通过植物的光合作用、依靠叶绿体才能合成葡萄糖。

这个过程有多麻烦不必多说,效率也低,需要适宜的土地气候,还要等作物长好了才能收割提炼。

我国科学家提出的新方法,相当于绕过了植物光合作用,让人类也能从空气中获取原料完成制糖。

而且消耗能量也比植物自然合成路径低,只需2 ATP/蔗糖,自然路径需要37 ATP/蔗糖。

转化效率达到86%,产率为5.7 gL-1

这对于人类解决当前两大难题——全球变暖、粮食危机——都有很好的启发意义。

围观网友进一步脑洞大开:

人类迈向深空的吃饭问题有解了。

蔗糖、淀粉都能高效合成

本项研究核心构建了一个体外生物转化平台(ivBT),能够将C1-C3低碳小分子(甲醇、甲醛和二羟基丙酮)转化为高阶碳水化合物(碳数 Cn ≥ 12),包括蔗糖、淀粉和纤维低聚糖(COS)。

核心转化过程可以分为2步。

第一步是前提步骤,将CO₂转化为C1原料,这部论文直接引用了现有技术。

此前中科院大连化学物理研究所已经提出通过电化学还原的方式将CO₂固定合成甲醇,这个过程也被誉为制造“液态阳光”。

第二步则是将C1小分子通过viBT系统转化为蔗糖。

研究团队设计了一个低ATP消耗、热力学有利的合成模块,并对两个关键酶(蔗糖合酶与果糖-6-磷酸酶)进行了工程改造,使其催化效率提高了3–71倍


△增强果糖-6-磷酸酶活性

具体如下:

首先通过使用酒精氧化酶、过氧化氢酶将甲醇氧化为甲醛,用formolase(FLS-M3)将甲醛聚合成DHA(三碳)。

然后通过酶级联反应,将DHA转化为果糖(六碳)。

最后通过改造的蔗糖合酶,将果糖+UDP-Glucose合成蔗糖(十二碳)。

整体流程中ATP消耗仅为2 ATP/蔗糖(远低于自然植物路径),蔗糖产量为10.8 mmol L⁻¹(~3.7 g/L),比传统途径节能约85%。

在此基础上,研究团队还进一步使用amylosucrase(AkAS)催化蔗糖聚合生成无引物(primer-free)淀粉。

AkAS将蔗糖转化为直链淀粉,进一步加入分支酶GBE生成支链淀粉。全过程不依赖天然淀粉引物,热力学更加有利、反应容易发生(ΔG° = –40.2 kJ/mol)。

最终,从甲醇出发,淀粉产量可达4.3 g/L,效率高于现有方法。

同理,从C1也能直接合成纤维低聚糖。这是传统上需要从植物纤维降解的糖,现在可以直接合成了。

把农田种植变成车间制造

本项研究由中国科学院天津工业生物技术研究所带来,马延和领衔。

他们团队长期以来做的事,就是把农田种植的玉米、大豆,能够在“车间”里合成出来,农业工业化一条龙。

如果如果这条路线能够成功,我们可能主粮、主要作物不用种。

原料是二氧化碳,产品可以是蔗糖、淀粉、蛋白质等。

要知道这些物质的真正制造者是绿色植物,也只有绿色植物的光合作用可以产生。

该团队做的事是要让人类能够模拟植物系统几亿年进化而来的系统。

去年,该团队的“空气变馒头”成果登上Science,首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成(也是和大连化物所合作)。

马延和表示,这一系列研究能带来的直接改变包括节约土地耕地、淡水,减轻农业压力,还提供了一个非常可靠的渠道去消纳二氧化碳。

可能打个不恰当的例子,吃大米饭的人类呼出的二氧化碳,又能变成蔗糖淀粉?真的有点神奇啊。

论文地址:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927325004967?via%3Dihub

(文:量子位)

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