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        NASA獎勵24萬美元,把二氧化碳變成糖,可用于太空制備食品和藥品

        2021/9/10 9:24:36來源:
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        我們嘴里呼出的二氧化碳也可以變為糖?

        著名華人科學家楊培東用二氧化碳制糖,借此斬獲NASA 二氧化碳轉化大賽(下稱 “NASA大賽)的最高獎。

        近日,加州大學伯克利分?;瘜W系教授楊培東團隊的研究成果,進入 NASA 大賽前三名,也是進入決賽的唯一一名學術實驗室團隊,其他兩支團隊均為企業參賽。

        楊培東團隊此次獲得獎金 240000 美元,未來這筆錢將用于二氧化碳在太空制造糖的電化學過程。

                                 

        該團隊的目標是將糖提供給微生物,讓這些微生物進行生物制造從而為宇航員或火星定居者得到生活必需品的供給。

        楊培東團隊表示:利用我們在二氧化碳循環利用方面的專業知識,為非生物糖生產打開了一扇門,提出了實現可再生糖生產的方法。

        研究主要涉及將二氧化碳轉化為更復雜化學品的過程,楊培東此前發明的生物混合過程,可將微生物與半導體納米線連接起來,從而將二氧化碳轉化為有機分子的構建塊。

         

        此次 NASA 大賽指定必須用非生物過程來制造糖,其目標是將葡萄糖這種具有六個碳的糖喂給微生物,以便太空探索者或行星定居者能以生物制造方式制備有機分子,比如食物、生物塑料和藥品。

        楊培東告訴 DeepTech,為此該團隊設計了一套新型的化學過程。事實上,大概兩年前設計這一反應時,他們就已采用過一種非常新穎的級聯反應方式,用電還原二氧化碳來提供給另外一個古老的巴特勒夫(Butlerov)反應的前驅體。而當把這種電化學反應和傳統反應結合,恰好可以滿足NASA 的二氧化碳轉化訴求。

        為火星移民做 “開路先鋒?

        盡管是 NASA 先提出需求,但是在二氧化碳電還原的研究上,楊培東已經積累十來年經驗,這也是能成為 NASA 大賽中唯一學術實驗室團隊獲獎者的主要原因。

        因此在參賽中,表面上看起來是把多年來二氧化碳電化學的成果,和非常古老的巴特勒夫反應結合一起,而這一結合此前從未有人嘗試。

        另據悉,該技術并非是給 NASA 的專用技術,由于該技術專利屬于美國公立學校的科研成果,因此可以給大眾使用,甚至團隊自己也可使用該技術去創辦公司。

        如果應用在太空探索中,一般有如下應用場景。乘坐宇宙飛船去火星,不可能把地球上所有生活必需品帶走。每加一噸的東西,對于宇宙飛船的設計來說都是非常昂貴的代價,所以最好的方式是讓人類生存所需的東西,都能在太空中當適當地合成。

         

        在深太空進行化學合成就得考慮到深太空中有哪些原始材料可以利用,那里有太陽能、有二氧化碳,甚至有時也有水。而只要有這三樣東西,人類就可以在外太空直接進行化學制造,而無需把地球上所有的生存物品帶到上面。

        再比如,雖然火星沒有氧氣,但是火星上面 96%的氣體都是二氧化碳。因此二氧化碳制糖的一個最大應用場景,是在外太空探索中用太陽能把二氧化碳轉化成、對深空探索有用的化學物質。

        當宇航員進入深太空以后,收集他們呼出來的二氧化碳,即可進行再利用。由于人類在外太空生存,一是需要能源,二是需要藥品,三是需要食品,四是需要肥料。

         

        而以上所有化學品,都能以二氧化碳作為原始材料來制備。事實上,NASA 之所以要求用非生物方法從二氧化碳制糖,是因為當前很多微生物,只要有能源的支持就能進行生物合成來制造燃料、藥品和食品。只不過,微生物的生存需要能量,而能量正是從糖類而來。

        因此,使用微生物做生物制造的前提在于,它們需要糖這種能源的支持,這也是 NASA 要把二氧化碳轉化成糖,然后來做生物制造的原因。

         

        楊培東認為,最完美的場景是把外太空的二氧化碳,利用太陽能把它轉化成糖,然后喂給細菌并進行生物制造,從而完成外太空的化學需求。

        值得一提的是過去十幾年中,楊培東團隊開創性的利用半導體-微生物復合體來進行人工光合作用,能直接一步到位把太陽能給到微生物后,通過二氧化碳來做化學品制造,而非先把二氧化碳轉成糖,再把糖喂給細菌做生物制造。

        因此此次參賽技術,和楊培東此前的工作可謂十分契合。要知道,人工光合作用成果也是它的代表成果之一,雖然一個是生物途徑,一個是非生物途徑,但卻有著異曲同工之妙。

        巴特勒夫反應:生命起源的反應

        其中涉及到一項巴特勒夫反應,楊培東告訴DeepTech,一般來說在該反應中,催化劑是氫氧化鈣,它的反應物是甲醛,但是乙醇醛在巴特勒夫反應中的功能目前尚不清楚。

        一百多年來,很多人都說巴特勒夫反應可能是生命起源的反應,因為它是一個從甲醛合成葡萄糖的相當簡單的反應,其中還會用到大自然中普遍存在的催化劑。

        楊培東發現,如果在巴特勒夫反應中只用甲醛,基本上看不到反應進程。但在反應過程中,只要加一點乙醇醛,它就能自動往下走。也就是說在巴特勒夫反應中,需要甲醛和乙醇醛來作為化學反應前驅體,乙醇醛更可能是一種自催化劑。

         

        因此,這次團隊所發明方法的亮點不在于巴特勒夫化學反應本身,而在于采用電化學方法把二氧化碳還原成甲醇和乙醇醛,然后再讓甲醛和乙醇醛通過巴特勒夫反應生成糖。

        受大自然啟發的級聯路徑

        該研究還借鑒了大自然啟發的級聯路徑的思路,所謂級聯就是一步跟著一步。

        在楊培東團隊設計的方案中,先是在第一個反應中采用電化學方式,把二氧化碳還原成甲醛跟乙醇醛,這是第一個級聯路徑;然后借助巴特勒夫反應,從上一步的二氧化碳電還原到兩個中間體,兩個中間體再通過巴特勒夫反應把它變成糖,這便是第二個級聯路徑。事實上,大自然界當中的很多二氧化碳還原,譬如光合作用,都是級聯反應。

        研究中,團隊只花費四個小時即可把二氧化碳轉化為三碳到八碳糖。這樣短時間轉化反應使得這種方法更具應用前景。

        關于二氧化碳轉化為三碳到八碳糖的轉化結果,他坦言這一結果還能更好。最佳情況是要能有選擇性地做出一種專一的糖分子,從化學角度來看,一旦沒有選擇性,就不是一個完美的化學反應。當然盡管不夠完美,但已經是在給更多外太空可能性做準備。

        接下來該團隊計劃利用電化學過程來提高甲醛和乙醇的產量。目前,乙醇醛是其電化學過程的一個次要產物,但幸運的是,在巴特勒夫反應中只需要微量的乙醇醛,而所需的主要成分是甲醛。一旦有了這些化學物質,巴特勒夫反應將非常有效地將所有碳原子轉化為糖分子。

         

        二十年來,楊培東的最早想法是解決全球氣候變暖,要想解決這一問題,就得解決二氧化碳的問題。地球上 420  ppm 的二氧化碳,已經引起了這么多災難性氣候。在他最早做這項研究時,是要通過碳捕集利用太陽能把它轉化成有用的化學品。

        因此楊培東的最早使命,并不是做深太空探索。但在大約十年前,楊培東團隊開創性的利用半導體-微生物復合體來進行人工光合作用時,引起了 NASA 的注意。

         

        多年來楊培東一直致力于人工光合作用研究來解決地球氣候變暖的問題,產生相關技術也同樣可以解決深太空探索難題。

        全球能源獎第一位華人上榜科學家

        2014年,楊培東獲得引文桂冠獎。該獎項通過論文的引用頻率,來評估學者是否有望獲得諾貝爾獎的評估體系。當時國內新聞一度評價稱楊培東有望獲得諾獎。

        引文桂冠獎背后團隊也表示,選出的這些有望獲得諾獎。那一年,楊培東和鄧青云以及張首晟入圍。

        而近日剛剛頒布的 2021 全球能源獎,又有一名華人科學家上榜。楊培東則是 2020 年全球能源獎得主,也是第一位上榜的華人科學家。

        談及獲得全球能源獎,他表示,自己做的研究一向以原創性為主,很多時候這些研究都是別人沒想到的,此次二氧化碳變成糖的化學反應便是代表案例之一。而去年獲得全球能源獎,也是對他開創性的利用半導體-微生物復合體來進行人工光合作用的表彰。

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