明敏 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI

真不是科幻電影，不用經過任何細胞，能實現“二氧化碳制糖”了。

就在最近，中國科學院天津工業生物技術研究所提出一項新技術，首次通過構建體外轉化系統，打通了“CO?→甲醇→蔗糖”這一合成路徑。

這事兒馬上引發全網圍觀，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。

我國科學家提出的新方法，相當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。

轉化效率達到86%，產率為5.7 gL-1。

這對于人類解決當前兩大難題——全球變暖、糧食危機——都有很好的啟發意義。

圍觀網友進一步腦洞大開：

人類邁向深空的吃飯問題有解了。

蔗糖、淀粉都能高效合成

本項研究核心構建了一個體外生物轉化平臺（ivBT），能夠將C1-C3低碳小分子（甲醇、甲醛和二羥基丙酮）轉化為高階碳水化合物（碳數 Cn?≥?12），包括蔗糖、淀粉和纖維低聚糖（COS）。

核心轉化過程可以分為2步。

第一步是前提步驟，將CO?轉化為C1原料，這部論文直接引用了現有技術。

此前中科院大連化學物理研究所已經提出通過電化學還原的方式將CO?固定合成甲醇，這個過程也被譽為制造“液態陽光”。

第二步則是將C1小分子通過viBT系統轉化為蔗糖。

研究團隊設計了一個低ATP消耗、熱力學有利的合成模塊，并對兩個關鍵酶（蔗糖合酶與果糖-6-磷酸酶）進行了工程改造，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）。

然后通過酶級聯反應，將DHA轉化為果糖（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（遠低于自然植物路徑），蔗糖產量為10.8 mmol L?1（~3.7 g/L），比傳統途徑節能約85%。

在此基礎上，研究團隊還進一步使用amylosucrase（AkAS）催化蔗糖聚合生成無引物（primer-free）淀粉。

AkAS將蔗糖轉化為直鏈淀粉，進一步加入分支酶GBE生成支鏈淀粉。全過程不依賴天然淀粉引物，熱力學更加有利、反應容易發生（ΔG° = –40.2 kJ/mol）。

最終，從甲醇出發，淀粉產量可達4.3 g/L，效率高于現有方法。

同理，從C1也能直接合成纖維低聚糖。這是傳統上需要從植物纖維降解的糖，現在可以直接合成了。

把農田種植變成車間制造

本項研究由中國科學院天津工業生物技術研究所帶來，馬延和領銜。

他們團隊長期以來做的事，就是把農田種植的玉米、大豆，能夠在“車間”里合成出來，農業工業化一條龍。

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，產品可以是蔗糖、淀粉、蛋白質等。

要知道這些物質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生。

該團隊做的事是要讓人類能夠模擬植物系統幾億年進化而來的系統。

去年，該團隊的“空氣變饅頭”成果登上Science，首次實現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約土地耕地、淡水，減輕農業壓力，還提供了一個非常可靠的渠道去消納二氧化碳。

可能打個不恰當的例子，吃大米飯的人類呼出的二氧化碳，又能變成蔗糖淀粉？真的有點神奇啊。

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