去年9月，我国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。除了淀粉外，二氧化碳还能合成其他东西吗？答案是“可以”！近日，《自然—催化》杂志以封面文章形式发表了我国科研人员的另一项重要成果——通过电催化结合生物合成的方式，将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸。
二氧化碳如何还原合成葡萄糖和脂肪酸，这一成果有怎样的意义？未来，我们的食物会有更多可能吗？本期“好奇心实验室”，记者采访有关专家，揭秘背后的科学道理。
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江南大学食品学院教授洪雁告诉《科技周刊》记者，葡萄糖可迅速为人体提供能量，是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，并在代谢循环中转化为脂肪酸、氨基酸等合成脂肪和蛋白质。脂肪酸则可以调节细胞膜的流动性、信号传导和葡萄糖代谢等。作为脂肪的主要组成，脂肪酸是人体的主要储能物质。
“将二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸，突破了自然条件的限制。”洪雁表示，这一成果开辟了电化学结合微生物催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略，促进了基于电力驱动的新型农业与生物制造业的发展，是二氧化碳利用的重要发展方向，也为碳中和打开了一个全新的思路，并为未来人类长期太空探索的能量需求提供了探究方向。
二氧化碳如何还原合成葡萄糖和脂肪酸？在接受媒体采访时，此项科学研究完成者之一、中国科学技术大学教授曾杰表示，科研人员首先将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，然后用酿酒酵母对乙酸进行发酵。“这个过程可以理解为，先将二氧化碳转化为酿酒酵母的‘食物’乙酸，然后酿酒酵母不断‘吃醋’来合成葡萄糖和脂肪酸。”
从高浓度乙酸到葡萄糖和脂肪酸，酵母菌如何成为关键一环？江南大学生物工程学院教授、粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心副主任饶志明表示，酵母细胞一般是靠吃葡萄糖等大分子生长代谢。因此，直接利用乙酸合成葡萄糖的能力非常低，这也就是为什么要通过基因工程的方法对野生的酵母进行“改造”，最终实现高效“吃醋吐糖”的过程。
在改造过程中，酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶元件首先被敲除，这就废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力，防止酵母“自产自销”。而为了增加葡萄糖的积累，研究人员在敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件的同时，又插入了来自泛菌属和大肠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。“这个构建工程酵母菌株的过程，其实就好比水桶的短板效应。科研人员通过对酵母合成葡萄糖和脂肪酸的一块块短板进行基因工程改造，进而得到了高效合成葡萄糖和脂肪酸的工程菌株。”饶志明解释，“总之，通过合成生物学和代谢工程等策略，让酵母细胞按照人们的期望来生产了我们所需的产品——葡萄糖和脂肪酸。”
其实，酵母菌在自然界中分布广泛，随时随地出现在日常生活中。伴随着合成生物学、系统代谢工程和人工智能等技术的快速发展，酵母菌等微生物也被广泛用于生物医药、食品、轻工业和生物能源等领域。
饶志明表示，可以期待，未来，科研人员将通过合成生物学等技术，借助酵母菌等微生物，进一步合成多种高附加值植物基产品。酵母底盘细胞也会朝着更有利于人类发展的方向发展。比如，以光能为能量来源，二氧化碳为碳源，在不与人类争粮食的前提下，持续合成人类所需的各类产品。
值得一提的是，无论是从二氧化碳到淀粉的从头合成还是二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸，合成生物学功不可没。
作为一个较为年轻的学科分支，合成生物学是指人们将“基因”连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。“简而言之，就是我们对现有生物的基因组进行改造，引入外源基因及模块组装成新的人工生物合成体系。”中国药科大学生命科学与技术学院教授陈依军告诉记者。
生物技术的进步推动着合成生物学快速发展，颠覆性理念和技术是支撑合成生物学发展的关键，基因合成、基因编辑、蛋白质设计、细胞设计、人工智能等技术的发展对合成生物学的发展有着重要的支撑和推动作用。陈依军表示，这一学科在我国虽然起步较晚，但发展速度很快、发展势头迅猛。越来越多的科研成果已经或即将造福于百姓生活。
未来，合成生物学将在疫苗的设计和生产、细胞治疗等创新药物的研发、可持续能源的生产和循环利用、大宗化学物品的制造、各种农作物的增产、环境污染的生物治理、用于检测的各种生物传感器等领域将拥有极好的运用前景。“我们可以相信，通过合成生物学，未来将可以人工合成出更多不可思议的物质。”陈依军表示。
来源：2022年05月24日 新华日报交汇点新闻
通讯员：姜晨 记者：叶真