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【医学前沿】“二氧化碳合成淀粉”成功,人类离“喝西北风充饥”还有多远?

发布时间:2021-09-28 15:22:08 来源:北京国医教信息技术研究院 字号【 】 【关闭】 浏览次数:3次
   

“人工合成淀粉”的未来

还需靠时间去验证


近日,由中国科学院天津工业生物技术研究所(中科院天津工业生物所)主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文,在著名国际学术期刊《科学》上线发表,“人工合成淀粉”技术突破的新闻刷了屏。


科学界对这一科学成果给予了高度评价,而社交媒体上更是一片欢呼。一些人脑洞大开,想象出了各种“未来场景”,比如不再需要种地、锅炉房旁边建一个淀粉厂把“碳排放”转变为“食品原料”,甚至有人调侃“喝西北风充饥”原来不是幻想……


图片

中科院天津工业生物技术研究所科研人员在实验室展示人工合成淀粉样品。中科院科技摄影联盟 供图



“人工合成淀粉”,到底是怎么回事?

它距离“用空气生产馒头”还有多远?


在地球上,淀粉的产生是物质与能量转化的一种过程。绿色植物中的叶绿体吸收二氧化碳,利用光的能量把它转化为淀粉,同时释放二氧化碳。这个过程被称为“光合作用”,是由几十个反应构成的。


而“人工合成淀粉”的实质,是摆脱对叶绿体的依赖,由人来操控实现这个过程。在前述的这项技术突破中,叶绿体中进行的这一系列反应得到了优化,反应步骤减少到了11步,相应的能量转化率也得到了提高。


也就是说,科学家们实现了“不要叶绿体”来完成二氧化碳到淀粉的转化。因为不要叶绿体,也就不需要种植农作物,也就不需要土壤、农药与化肥,对空间和水的利用率也就更高。


但是,这只是完成了“人类能做到”的目标。想要用它来生产食物,还需要更重要的“如何高效、经济地做到”。科学实验是不计成本的,而生产应用必须考虑。


在用二氧化碳合成淀粉的过程中,至少有两个方面的挑战需要克服:


个方面的挑战

一是能源。叶绿体是直接吸收太阳光来作为能源,而目前的人工合成淀粉中是用光伏发电的技术把光能转化为电能。也就是说,实际上也还是需要用到电。在目前,光伏发电只是在技术上成熟,而在应用方面还远远无法跟火电、水电相比。人工合成淀粉,要么等待光伏发电技术的进一步发展,要么是去占用现在已经供应紧张的电力。


二是酶。在光合作用中,涉及到多达几十个的生化反应,每个生化反应都需要相应的酶去催化。目前的这个人工合成淀粉方案,虽然大大减少了反应步骤,但依然还有11步,需要用到十多种酶的参与。酶是具有催化活性的蛋白质,目前能够用于工业生产的酶,要么从自然界直接提取(需要消耗植物),要么通过发酵生产。不管哪种途径生产,生产成本也都不低。


在科学史上,类似的科学突破并不是第一次。


比如合成氨,就是通过化学反应把空气中的氮气转化为氨气,从而作为肥料。从弗里茨·哈伯解决了“能做到”的问题,到卡尔·博施解决“高效、经济地做到”的问题,经过了若干年的时间,产生了两位诺贝尔奖得主。


这已经是从理论突破到实际应用“快速完成”的例子。


而合成生物学的经典例子——“人工合成蛋白质”,早在1965年就有中国科学家做到了。但迄今为止,它也依然只是科学研究的手段,而没有用于生产。因为,人工合成蛋白质所需要的能源、原料与酶代价太过高昂,用这种方式来生产蛋白,远远不如种植物、养动物、发酵微生物来得高效和现实。


今天的“人工合成淀粉”在科学进展上的价值,类似于1909年的合成氨,或者1965年的合成结晶牛胰岛素。不管它是像合成氨那样最终进入工业化生产,还是像合成蛋白质那样尚存在于科学文献中,都是很杰出的科学突破。虽然“人工合成蛋白质”至今没有进入我们的生活,但它大大推动了生命科学的研究,标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途中迈出了关键性的一步。


“人工合成淀粉”的未来,是像合成氨那样成为常规的工业生产技术,还是像合成蛋白质那样作为科学研究能力,还需靠时间去验证。

来源:红星新闻

“人工合成淀粉”的未来

还需靠时间去验证


近日,由中国科学院天津工业生物技术研究所(中科院天津工业生物所)主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文,在著名国际学术期刊《科学》上线发表,“人工合成淀粉”技术突破的新闻刷了屏。


科学界对这一科学成果给予了高度评价,而社交媒体上更是一片欢呼。一些人脑洞大开,想象出了各种“未来场景”,比如不再需要种地、锅炉房旁边建一个淀粉厂把“碳排放”转变为“食品原料”,甚至有人调侃“喝西北风充饥”原来不是幻想……

中科院天津工业生物技术研究所科研人员在实验室展示人工合成淀粉样品。中科院科技摄影联盟 供图



“人工合成淀粉”,到底是怎么回事?

它距离“用空气生产馒头”还有多远?


在地球上,淀粉的产生是物质与能量转化的一种过程。绿色植物中的叶绿体吸收二氧化碳,利用光的能量把它转化为淀粉,同时释放二氧化碳。这个过程被称为“光合作用”,是由几十个反应构成的。


而“人工合成淀粉”的实质,是摆脱对叶绿体的依赖,由人来操控实现这个过程。在前述的这项技术突破中,叶绿体中进行的这一系列反应得到了优化,反应步骤减少到了11步,相应的能量转化率也得到了提高。


也就是说,科学家们实现了“不要叶绿体”来完成二氧化碳到淀粉的转化。因为不要叶绿体,也就不需要种植农作物,也就不需要土壤、农药与化肥,对空间和水的利用率也就更高。


但是,这只是完成了“人类能做到”的目标。想要用它来生产食物,还需要更重要的“如何高效、经济地做到”。科学实验是不计成本的,而生产应用必须考虑。


在用二氧化碳合成淀粉的过程中,至少有两个方面的挑战需要克服:


个方面的挑战

一是能源。叶绿体是直接吸收太阳光来作为能源,而目前的人工合成淀粉中是用光伏发电的技术把光能转化为电能。也就是说,实际上也还是需要用到电。在目前,光伏发电只是在技术上成熟,而在应用方面还远远无法跟火电、水电相比。人工合成淀粉,要么等待光伏发电技术的进一步发展,要么是去占用现在已经供应紧张的电力。


二是酶。在光合作用中,涉及到多达几十个的生化反应,每个生化反应都需要相应的酶去催化。目前的这个人工合成淀粉方案,虽然大大减少了反应步骤,但依然还有11步,需要用到十多种酶的参与。酶是具有催化活性的蛋白质,目前能够用于工业生产的酶,要么从自然界直接提取(需要消耗植物),要么通过发酵生产。不管哪种途径生产,生产成本也都不低。


在科学史上,类似的科学突破并不是第一次。


比如合成氨,就是通过化学反应把空气中的氮气转化为氨气,从而作为肥料。从弗里茨·哈伯解决了“能做到”的问题,到卡尔·博施解决“高效、经济地做到”的问题,经过了若干年的时间,产生了两位诺贝尔奖得主。


这已经是从理论突破到实际应用“快速完成”的例子。


而合成生物学的经典例子——“人工合成蛋白质”,早在1965年就有中国科学家做到了。但迄今为止,它也依然只是科学研究的手段,而没有用于生产。因为,人工合成蛋白质所需要的能源、原料与酶代价太过高昂,用这种方式来生产蛋白,远远不如种植物、养动物、发酵微生物来得高效和现实。


今天的“人工合成淀粉”在科学进展上的价值,类似于1909年的合成氨,或者1965年的合成结晶牛胰岛素。不管它是像合成氨那样最终进入工业化生产,还是像合成蛋白质那样尚存在于科学文献中,都是很杰出的科学突破。虽然“人工合成蛋白质”至今没有进入我们的生活,但它大大推动了生命科学的研究,标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途中迈出了关键性的一步。


“人工合成淀粉”的未来,是像合成氨那样成为常规的工业生产技术,还是像合成蛋白质那样作为科学研究能力,还需靠时间去验证。

来源:红星新闻
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