二氧化碳|帮助实现碳中和、解决粮食生产问题，空气变馒头的技术有这么牛？科学家|微生物

文章图片

文章图片

文章图片
刚刚过去的这个月，有一项研究刷爆了大家的朋友圈，简单来说就是“空气变馒头”的技术。在2021年9月24日，来自中国科学院天津工业生物研究所的科学家实现了在实验室条件下从二氧化碳到淀粉的人工合成途径。用二氧化碳生产淀粉，既能帮助实现碳中和，也能帮助解决粮食生产问题，所以这项研究引起了人们热烈的关注和讨论。
我们知道，把空气中的二氧化碳变成淀粉是绿色植物已经做了几亿年的工作，它还有个如雷贯耳的大名——光合作用。简单展开但如果追踪碳原子的流向，它主要可以分成三个阶段：
首先，用含有1个碳原子的分子，也就是二氧化碳，生产含有3个碳原子的分子，比如3-磷酸甘油醛；然后，再用这些分子，去合成制造含有6个碳原子的葡萄糖；最后，再用葡萄糖分子生产含有大量碳原子的淀粉。简单来说，光合作用就是三个步骤——碳1到碳3；碳3到碳6；碳6到碳无穷。
第一步从碳1到碳3 ，可能是最难跨越的，也是光合作用中最复杂的环节。因为这一步需要消耗巨大的能量。具体来说，植物先要依靠叶绿体吸收太阳光的能量，用这个能量制造高能化学物质（比如ATP和NADPH），从而实现光能到化学能的转换。然后，再用这些高能化学物质捕获空气中很低浓度的二氧化碳，把它转换成碳3物质。
而后面两个步骤，碳3到碳6、碳6到碳无穷，是大家比较熟悉的生物化学反应的样子。在几种酶的催化下，利用ATP分子提供的能量就可以在常温下持续进行。整体而言，尽管已经经历了亿万年的进化打磨，植物中整个过程的转换效率也并不高，大约就是5%上下。
有了这个背景铺垫，我们才好介绍这项新研究的具体内容：
研究者们也想实现碳1到3、3到6、6到无穷的合成步骤。但我们说了，第一步如果从二氧化碳出发，难度太大了，于是研究者们首先选用了一个比较现实的路径。他们希望从高能物质甲醇出发，这也是含有一个碳原子的化学物质，实现淀粉的合成。相当于把光合作用门槛最高的环节给规避过去。
但即便如此，这个合成路线也还是很困难的——
分别看的话，从碳1到碳3 ，从碳3到碳6 ，从碳6到碳无穷，科学家们都已经积累了大量的研究素材，数据库里就能找到不少现成的、可以直接用的合成路线。但问题是，这些反应之间并不总是能够融洽地相互配合。
比如，甲醇能够在甲醇脱氢酶的作用下变成甲醛，而甲醛在几个酶的催化下可以变成刚刚我们提到的碳3物质——3-磷酸甘油醛。但问题是，这两个反应如果放到一起，就会互相干扰，不能顺利地从碳1得到碳3 。
因此，研究者们花费了大量的精力，首先选出大量的候选化学反应模块，然后用它们在三个合成步骤之间反复拼搭，最终才凑出了一个效率令人满意的合成路线。整条路线一共有10步由酶催化的化学反应构成。
在这之后，研究者们又继续在这条路线上优化。他们找到了这条路线的限速步骤，也就是反应最慢、拖慢了整体合成效率的几个环节，然后人工改造了负责这些环节的三个酶分子，最终将整体合成效率又提高了7.6倍。单单考虑淀粉的生成速度的话，这个人工反应体系的效率已经和植物合成淀粉类似了。
这当然已经是巨大的技术进步。它证明了，科学家们通过人工组装和修改反应路线图，能够在非生物条件下实现重要生物大分子的合成。但事情还没完。我们刚刚也提到，光合作用里门槛最高、最复杂、耗能也最多的步骤，其实是捕获和固定空气中浓度很低的二氧化碳，把这种气态分子里的碳原子截留下来，用来合成碳3物质。而研究者们的合成起点是甲醇，等于是战略性地绕过了最难的步骤。
那有没有办法把这一步补上呢？
必须得说，人类已经做过很多尝试，但至今，还没有哪个办法能够接近生物体利用光能捕获二氧化碳的水平。其中一个相对接近的思路是这样的：