人工合成淀粉的化学途径?
CO2在电氢还原作用下生成甲醇,再经过碳碳缩合反应生成C3,而C3是一个重要中间体,包括DHA(二羟丙酮)、DHAP(磷酸二羟丙酮)。之后再经过三碳缩合反应就可以生成C6,也就是葡萄糖单体,最后经生物聚合就可以生成淀粉。
人工合成淀粉的技术工艺路线大致为:CO2→C1→FADH→DHA→DHAP→GAP→F-6-P→G-6-P→G-1-P→G→淀粉,整个过程涉及11步重要的生化反应。而在自然条件下,光反应和暗反应涉及的化学反应则有60多步,而且效率较低。
无论是自然合成还是人工合成,其产物都是葡萄糖,在聚合方式上会有所差异。葡萄糖分子如果呈直线聚合,则形成直链淀粉,如果交叉排列,则形成支链淀粉。
延伸阅读
人工合成淀粉需要哪些生物工程知识?
一、突破了自然光合固碳系统利用太阳能的局限。
为了设计超越自然能力的固碳淀粉合成途径,科研团队创新地提出将化学与生物催化相耦合的方案,从约7000个生化反应中、构建形成只有11步主反应的固碳淀粉人工合成途径,将理论能量转化效率提升3.5倍,使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能。
二、突破了自然界淀粉合成的复杂调控障碍。
在计算设计的人工途径中,生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。科研团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂,构建了一条只有11步反应的人工淀粉合成途径,与自然界淀粉合成需要的60多个步骤相比,显著降低了合成的复杂度。
三、突破了天然淀粉合成时空效率不高的限制。
由于缺少自然途径上亿年的进化过程,人工途径中来源于不同物种的生物酶催化剂间存在难以适配的问题。针对这个问题,研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略,解决了人工途径中底物竞争、产物抑制等问题,最终获得了淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径
人工合成淀粉要多久?
根据科研人员介绍,人工淀粉合成,从系统启动到第一批淀粉生产仅需要11个小时,而当系统稳定下来后,产生淀粉的速率是每升每小时410毫克,按照计算,理想状况下1立方米(1000升)一年(8760小时)可产生3591.6千克的淀粉,也就是3.6吨
以天然淀粉合成效率最高的农作物玉米来说,美国平均单产为每亩750公斤,而按照目前的技术参数,1立方米生物反应器的年淀粉产量,理论上相当于种植5亩玉米的淀粉年产量,而根据严格估算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%。
人工合成淀粉需要用到哪些技术?
在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。
利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物聚合成碳六化合物,再进一步合成直链和支链淀粉。
人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。按照目前技术参数推算,在能量供给充足条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。