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NASA奖励24万美元,把二氧化碳变成糖,可用于太空制备食品和药品

2021/9/10 9:24:36来源:
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我们嘴里呼出的二氧化碳也可以变为糖?

著名华人科学家杨培东用二氧化碳制糖,借此斩获NASA 二氧化碳转化大赛(下称 “NASA大赛)的最高奖。

近日,加州大学伯克利分校化学系教授杨培东团队的研究成果,进入 NASA 大赛前三名,也是进入决赛的唯一一名学术实验室团队,其他两支团队均为企业参赛。

杨培东团队此次获得奖金 240000 美元,未来这笔钱将用于二氧化碳在太空制造糖的电化学过程。

                         

该团队的目标是将糖提供给微生物,让这些微生物进行生物制造从而为宇航员或火星定居者得到生活必需品的供给。

杨培东团队表示:利用我们在二氧化碳循环利用方面的专业知识,为非生物糖生产打开了一扇门,提出了实现可再生糖生产的方法。

研究主要涉及将二氧化碳转化为更复杂化学品的过程,杨培东此前发明的生物混合过程,可将微生物与半导体纳米线连接起来,从而将二氧化碳转化为有机分子的构建块。

 

此次 NASA 大赛指定必须用非生物过程来制造糖,其目标是将葡萄糖这种具有六个碳的糖喂给微生物,以便太空探索者或行星定居者能以生物制造方式制备有机分子,比如食物、生物塑料和药品。

杨培东告诉 DeepTech,为此该团队设计了一套新型的化学过程。事实上,大概两年前设计这一反应时,他们就已采用过一种非常新颖的级联反应方式,用电还原二氧化碳来提供给另外一个古老的巴特勒夫(Butlerov)反应的前驱体。而当把这种电化学反应和传统反应结合,恰好可以满足NASA 的二氧化碳转化诉求。

为火星移民做 “开路先锋

尽管是 NASA 先提出需求,但是在二氧化碳电还原的研究上,杨培东已经积累十来年经验,这也是能成为 NASA 大赛中唯一学术实验室团队获奖者的主要原因。

因此在参赛中,表面上看起来是把多年来二氧化碳电化学的成果,和非常古老的巴特勒夫反应结合一起,而这一结合此前从未有人尝试。

另据悉,该技术并非是给 NASA 的专用技术,由于该技术专利属于美国公立学校的科研成果,因此可以给大众使用,甚至团队自己也可使用该技术去创办公司。

如果应用在太空探索中,一般有如下应用场景。乘坐宇宙飞船去火星,不可能把地球上所有生活必需品带走。每加一吨的东西,对于宇宙飞船的设计来说都是非常昂贵的代价,所以最好的方式是让人类生存所需的东西,都能在太空中当适当地合成。

 

在深太空进行化学合成就得考虑到深太空中有哪些原始材料可以利用,那里有太阳能、有二氧化碳,甚至有时也有水。而只要有这三样东西,人类就可以在外太空直接进行化学制造,而无需把地球上所有的生存物品带到上面。

再比如,虽然火星没有氧气,但是火星上面 96%的气体都是二氧化碳。因此二氧化碳制糖的一个最大应用场景,是在外太空探索中用太阳能把二氧化碳转化成、对深空探索有用的化学物质。

当宇航员进入深太空以后,收集他们呼出来的二氧化碳,即可进行再利用。由于人类在外太空生存,一是需要能源,二是需要药品,三是需要食品,四是需要肥料。

 

而以上所有化学品,都能以二氧化碳作为原始材料来制备。事实上,NASA 之所以要求用非生物方法从二氧化碳制糖,是因为当前很多微生物,只要有能源的支持就能进行生物合成来制造燃料、药品和食品。只不过,微生物的生存需要能量,而能量正是从糖类而来。

因此,使用微生物做生物制造的前提在于,它们需要糖这种能源的支持,这也是 NASA 要把二氧化碳转化成糖,然后来做生物制造的原因。

 

杨培东认为,最完美的场景是把外太空的二氧化碳,利用太阳能把它转化成糖,然后喂给细菌并进行生物制造,从而完成外太空的化学需求。

值得一提的是过去十几年中,杨培东团队开创性的利用半导体-微生物复合体来进行人工光合作用,能直接一步到位把太阳能给到微生物后,通过二氧化碳来做化学品制造,而非先把二氧化碳转成糖,再把糖喂给细菌做生物制造。

因此此次参赛技术,和杨培东此前的工作可谓十分契合。要知道,人工光合作用成果也是它的代表成果之一,虽然一个是生物途径,一个是非生物途径,但却有着异曲同工之妙。

巴特勒夫反应:生命起源的反应

其中涉及到一项巴特勒夫反应,杨培东告诉DeepTech,一般来说在该反应中,催化剂是氢氧化钙,它的反应物是甲醛,但是乙醇醛在巴特勒夫反应中的功能目前尚不清楚。

一百多年来,很多人都说巴特勒夫反应可能是生命起源的反应,因为它是一个从甲醛合成葡萄糖的相当简单的反应,其中还会用到大自然中普遍存在的催化剂。

杨培东发现,如果在巴特勒夫反应中只用甲醛,基本上看不到反应进程。但在反应过程中,只要加一点乙醇醛,它就能自动往下走。也就是说在巴特勒夫反应中,需要甲醛和乙醇醛来作为化学反应前驱体,乙醇醛更可能是一种自催化剂

 

因此,这次团队所发明方法的亮点不在于巴特勒夫化学反应本身,而在于采用电化学方法把二氧化碳还原成甲醇和乙醇醛,然后再让甲醛和乙醇醛通过巴特勒夫反应生成糖。

受大自然启发的级联路径

该研究还借鉴了大自然启发的级联路径的思路,所谓级联就是一步跟着一步。

在杨培东团队设计的方案中,先是在第一个反应中采用电化学方式,把二氧化碳还原成甲醛跟乙醇醛,这是第一个级联路径;然后借助巴特勒夫反应,从上一步的二氧化碳电还原到两个中间体,两个中间体再通过巴特勒夫反应把它变成糖,这便是第二个级联路径。事实上,大自然界当中的很多二氧化碳还原,譬如光合作用,都是级联反应。

研究中,团队只花费四个小时即可把二氧化碳转化为三碳到八碳糖。这样短时间转化反应使得这种方法更具应用前景。

关于二氧化碳转化为三碳到八碳糖的转化结果,他坦言这一结果还能更好。最佳情况是要能有选择性地做出一种专一的糖分子,从化学角度来看,一旦没有选择性,就不是一个完美的化学反应。当然尽管不够完美,但已经是在给更多外太空可能性做准备。

接下来该团队计划利用电化学过程来提高甲醛和乙醇的产量。目前,乙醇醛是其电化学过程的一个次要产物,但幸运的是,在巴特勒夫反应中只需要微量的乙醇醛,而所需的主要成分是甲醛。一旦有了这些化学物质,巴特勒夫反应将非常有效地将所有碳原子转化为糖分子。

 

二十年来,杨培东的最早想法是解决全球气候变暖,要想解决这一问题,就得解决二氧化碳的问题。地球上 420  ppm 的二氧化碳,已经引起了这么多灾难性气候。在他最早做这项研究时,是要通过碳捕集利用太阳能把它转化成有用的化学品。

因此杨培东的最早使命,并不是做深太空探索。但在大约十年前,杨培东团队开创性的利用半导体-微生物复合体来进行人工光合作用时,引起了 NASA 的注意。

 

多年来杨培东一直致力于人工光合作用研究来解决地球气候变暖的问题,产生相关技术也同样可以解决深太空探索难题。

全球能源奖第一位华人上榜科学家

2014年,杨培东获得引文桂冠奖。该奖项通过论文的引用频率,来评估学者是否有望获得诺贝尔奖的评估体系。当时国内新闻一度评价称杨培东有望获得诺奖。

引文桂冠奖背后团队也表示,选出的这些有望获得诺奖。那一年,杨培东和邓青云以及张首晟入围。

而近日刚刚颁布的 2021 全球能源奖,又有一名华人科学家上榜。杨培东则是 2020 年全球能源奖得主,也是第一位上榜的华人科学家。

谈及获得全球能源奖,他表示,自己做的研究一向以原创性为主,很多时候这些研究都是别人没想到的,此次二氧化碳变成糖的化学反应便是代表案例之一。而去年获得全球能源奖,也是对他开创性的利用半导体-微生物复合体来进行人工光合作用的表彰。

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