人類能從空氣里造糖了！我國科學(xué)家首次實現(xiàn)二氧化碳人工合成蔗糖
中科院研究全網(wǎng)熱議
明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
真不是科幻電影，不用經(jīng)過任何細(xì)胞，能實現(xiàn)“二氧化碳制糖”了。
就在最近，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所提出一項新技術(shù)，首次通過構(gòu)建體外轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，打通了“CO?→甲醇→蔗糖”這一合成路徑。
這事兒馬上引發(fā)全網(wǎng)圍觀，央視已火速報道。
人類通常獲取蔗糖的途徑，就是種地——種甘蔗、甜菜，因為只有通過植物的光合作用、依靠葉綠體才能合成葡萄糖。
這個過程有多麻煩不必多說，效率也低，需要適宜的土地氣候，還要等作物長好了才能收割提煉。
我國科學(xué)家提出的新方法，相當(dāng)于繞過了植物光合作用，讓人類也能從空氣中獲取原料完成制糖。
而且消耗能量也比植物自然合成路徑低，只需2 ATP/蔗糖，自然路徑需要37 ATP/蔗糖。
轉(zhuǎn)化效率達(dá)到86%，產(chǎn)率為5.7 gL-1。
這對于人類解決當(dāng)前兩大難題——全球變暖、糧食危機——都有很好的啟發(fā)意義。
圍觀網(wǎng)友進(jìn)一步腦洞大開：
人類邁向深空的吃飯問題有解了。
蔗糖、淀粉都能高效合成
本項研究核心構(gòu)建了一個體外生物轉(zhuǎn)化平臺（ivBT），能夠?qū)1-C3低碳小分子（甲醇、甲醛和二羥基丙酮）轉(zhuǎn)化為高階碳水化合物（碳數(shù) Cn?≥?12），包括蔗糖、淀粉和纖維低聚糖（COS）。
核心轉(zhuǎn)化過程可以分為2步。
第一步是前提步驟，將CO?轉(zhuǎn)化為C1原料，這部論文直接引用了現(xiàn)有技術(shù)。
此前中科院大連化學(xué)物理研究所已經(jīng)提出通過電化學(xué)還原的方式將CO?固定合成甲醇，這個過程也被譽為制造“液態(tài)陽光”。
第二步則是將C1小分子通過viBT系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為蔗糖。
研究團(tuán)隊設(shè)計了一個低ATP消耗、熱力學(xué)有利的合成模塊，并對兩個關(guān)鍵酶（蔗糖合酶與果糖-6-磷酸酶）進(jìn)行了工程改造，使其催化效率提高了3–71倍。
具體如下：
首先通過使用酒精氧化酶、過氧化氫酶將甲醇氧化為甲醛，用formolase（FLS-M3）將甲醛聚合成DHA（三碳）。
然后通過酶級聯(lián)反應(yīng)，將DHA轉(zhuǎn)化為果糖（六碳）。
最后通過改造的蔗糖合酶，將果糖+UDP-Glucose合成蔗糖（十二碳）。
整體流程中ATP消耗僅為2 ATP/蔗糖（遠(yuǎn)低于自然植物路徑），蔗糖產(chǎn)量為10.8 mmol L?1（~3.7 g/L），比傳統(tǒng)途徑節(jié)能約85%。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊還進(jìn)一步使用amylosucrase（AkAS）催化蔗糖聚合生成無引物（primer-free）淀粉。
AkAS將蔗糖轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉，進(jìn)一步加入分支酶GBE生成支鏈淀粉。全過程不依賴天然淀粉引物，熱力學(xué)更加有利、反應(yīng)容易發(fā)生（ΔG° = –40.2 kJ/mol）。
最終，從甲醇出發(fā)，淀粉產(chǎn)量可達(dá)4.3 g/L，效率高于現(xiàn)有方法。
同理，從C1也能直接合成纖維低聚糖。這是傳統(tǒng)上需要從植物纖維降解的糖，現(xiàn)在可以直接合成了。
把農(nóng)田種植變成車間制造
本項研究由中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所帶來，馬延和領(lǐng)銜。
他們團(tuán)隊長期以來做的事，就是把農(nóng)田種植的玉米、大豆，能夠在“車間”里合成出來，農(nóng)業(yè)工業(yè)化一條龍。
如果如果這條路線能夠成功，我們可能主糧、主要作物不用種。
原料是二氧化碳，產(chǎn)品可以是蔗糖、淀粉、蛋白質(zhì)等。
要知道這些物質(zhì)的真正制造者是綠色植物，也只有綠色植物的光合作用可以產(chǎn)生。
該團(tuán)隊做的事是要讓人類能夠模擬植物系統(tǒng)幾億年進(jìn)化而來的系統(tǒng)。
去年，該團(tuán)隊的“空氣變饅頭”成果登上Science，首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成（也是和大連化物所合作）。
馬延和表示，這一系列研究能帶來的直接改變包括節(jié)約土地耕地、淡水，減輕農(nóng)業(yè)壓力，還提供了一個非常可靠的渠道去消納二氧化碳。
可能打個不恰當(dāng)?shù)睦樱源竺罪埖娜祟惡舫龅亩趸迹帜茏兂烧崽堑矸郏空娴挠悬c神奇啊。
論文地址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927325004967?via%3Dihub
參考鏈接：
https://www.tjng.gov.cn/system/2024/04/22/030040320.shtml
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