去年9月，我國科學家首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。除了澱粉外，二氧化碳還能合成其他東西嗎？答案是“可以”！近日，《自然—催化》雜誌以封麵文章形式發表了我國科研人員的另一項重要成果——通過電催化結合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，並進一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸。

  二氧化碳如何還原合成葡萄糖和脂肪酸，這一成果有怎樣的意義？未來，我們的食物會有更多可能嗎？本期“好奇心實驗室”，記者采訪有關專家，揭秘背後的科學道理。

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  江南大學食品學院教授洪雁告訴《科技周刊》記者，葡萄糖可迅速為人體提供能量，是生物體內新陳代謝不可缺少的營養物質，並在代謝循環中轉化為脂肪酸、氨基酸等合成脂肪和蛋白質。脂肪酸則可以調節細胞膜的流動性、信號傳導和葡萄糖代謝等。作為脂肪的主要組成，脂肪酸是人體的主要儲能物質。

  “將二氧化碳還原合成葡萄糖和脂肪酸，突破了自然條件的限製。”洪雁表示，這一成果開辟了電化學結合微生物催化製備葡萄糖等糧食產物的新策略，促進了基於電力驅動的新型農業與生物製造業的發展，是二氧化碳利用的重要發展方向，也為碳中和打開了一個全新的思路，並為未來人類長期太空探索的能量需求提供了探究方向。

  二氧化碳如何還原合成葡萄糖和脂肪酸？在接受媒體采訪時，此項科學研究完成者之一、中國科學技術大學教授曾傑表示，科研人員首先將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，然後用釀酒酵母對乙酸進行發酵。“這個過程可以理解為，先將二氧化碳轉化為釀酒酵母的‘食物’乙酸，然後釀酒酵母不斷‘吃醋’來合成葡萄糖和脂肪酸。”

  從高濃度乙酸到葡萄糖和脂肪酸，酵母菌如何成為關鍵一環？江南大學生物工程學院教授、糧食發酵與食品生物製造國家工程研究中心副主任饒誌明表示，酵母細胞一般是靠吃葡萄糖等大分子生長代謝。因此，直接利用乙酸合成葡萄糖的能力非常低，這也就是為什麽要通過基因工程的方法對野生的酵母進行“改造”，最終實現高效“吃醋吐糖”的過程。

  在改造過程中，釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關鍵酶元件首先被敲除，這就廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力，防止酵母“自產自銷”。而為了增加葡萄糖的積累，研究人員在敲除了兩個疑似具備代謝葡萄糖能力的酶元件的同時，又插入了來自泛菌屬和大腸杆菌的葡萄糖磷酸酶元件，增加了酵母菌合成葡萄糖的能力。“這個構建工程酵母菌株的過程，其實就好比水桶的短板效應。科研人員通過對酵母合成葡萄糖和脂肪酸的一塊塊短板進行基因工程改造，進而得到了高效合成葡萄糖和脂肪酸的工程菌株。”饒誌明解釋，“總之，通過合成生物學和代謝工程等策略，讓酵母細胞按照人們的期望來生產了我們所需的產品——葡萄糖和脂肪酸。”

  其實，酵母菌在自然界中分布廣泛，隨時隨地出現在日常生活中。伴隨著合成生物學、係統代謝工程和人工智能等技術的快速發展，酵母菌等微生物也被廣泛用於生物醫藥、食品、輕工業和生物能源等領域。

  饒誌明表示，可以期待，未來，科研人員將通過合成生物學等技術，借助酵母菌等微生物，進一步合成多種高附加值植物基產品。酵母底盤細胞也會朝著更有利於人類發展的方向發展。比如，以光能為能量來源，二氧化碳為碳源，在不與人類爭糧食的前提下，持續合成人類所需的各類產品。

  值得一提的是，無論是從二氧化碳到澱粉的從頭合成還是二氧化碳還原合成葡萄糖和脂肪酸，合成生物學功不可沒。

  作為一個較為年輕的學科分支，合成生物學是指人們將“基因”連接成網絡，讓細胞來完成設計人員設想的各種任務。“簡而言之，就是我們對現有生物的基因組進行改造，引入外源基因及模塊組裝成新的人工生物合成體係。”彩神生命科學與技術學院教授陳依軍告訴記者。

  生物技術的進步推動著合成生物學快速發展，顛覆性理念和技術是支撐合成生物學發展的關鍵，基因合成、基因編輯、蛋白質設計、細胞設計、人工智能等技術的發展對合成生物學的發展有著重要的支撐和推動作用。陳依軍表示，這一學科在我國雖然起步較晚，但發展速度很快、發展勢頭迅猛。越來越多的科研成果已經或即將造福於百姓生活。

  未來，合成生物學將在疫苗的設計和生產、細胞治療等創新藥物的研發、可持續能源的生產和循環利用、大宗化學物品的製造、各種農作物的增產、環境汙染的生物治理、用於檢測的各種生物傳感器等領域將擁有極好的運用前景。“我們可以相信，通過合成生物學，未來將可以人工合成出更多不可思議的物質。”陳依軍表示。

來源：2022年05月24日 新華日報交匯點新聞

通訊員：薑晨  記者：葉真