老技术“一氧化碳合成蛋白”究竟能否提升现代粮食安全

大家都从新闻上面看见，我国首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成。那么根据这样的一个技术的合成，也意味着我们在科学领域也是有着新的突破的。因为我们都知道，一氧化碳合成蛋白质是一项非常复杂的工程，并且这一项技术也是用了很多年的研究才达到的。而且大家也都清楚的知道，对于这样的一个工程也是有非常大的优势，尤其是在改良菌株方面有非常大的合成优势。

突破科学的成就

所以我们也知道突破了乙醇梭菌蛋白核心的关键技术，这也能够大幅度的去提高一些反应速度。那么很多的科学家在知道了这一项发明成功之后，也都纷纷表示感慨，在医学界和科学界是有着非常大的成就的。并且能够帮助科学界和医学界取得更大的突破，这将是历史上的又一次里程碑。我们也知道蛋白质合成的技术是需要经过发酵的，而二氧化碳想要合成淀粉是需要经过有机合成的，这样就需要去从发酵这个角度入手。

在医学方面有进步

提到无机化合物和有机化合物净化的这一个过程，并且许多学化学的人都会知道，化学的合成会有许多的因素存在，并且生物合成是自然界最广泛的一种方式。那么在进行这样的一些化学合成的时候，是必要进行发酵，这就是植物和微生物的广泛存在，并且也是大家最熟悉的光合作用。

所以发酵的总体定义就是借助一些微生物，在有氧或者无氧的环境下进行一些生命活动。然后来制备微生物菌体本身，这就能够形成一些代谢产物。而且这样一种方式也是能够有效的去达到我们的发酵技术，并且能够让发酵变得更加的迅速，在发酵当中所缺乏的物质，也会得到合理的规划。

这些技术的突破，最基本的道理都在于，只要动物“不与人争粮、不与粮争地”，那都是资源上的一大节省，况且这项在人工参与下的生物合成技术，它主要利用的是钢铁工业转炉气中的一氧化碳，从碳排放的角度来看，它对促进国家“双碳”目标的实现深具意义，同时，最为重要的是，它可以弥补我国农业最大短板，我们往后或许不会对海外的饲用蛋白存在那么高的依赖了。

假如说，人工合成淀粉的技术需要在更长远的未来才能发挥重要作用的话，那么我国首次实现从一氧化碳到蛋白质合成的技术在比较短的时间内，它的重要作用就可以体现出来。

蛋白质生物合成过程可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。

蛋白质合成是生物按照从脱氧核糖核酸（DNA）转录得到的信使核糖核酸（mRNA）上的遗传信息合成蛋白质的过程。蛋白质生物合成亦称为翻译也就是把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程。

蛋白质的作用：

1、组成人体的重要成分

人体是由细胞所组成的，而各种细胞的骨架，都是蛋白质。因此可以说，蛋白质是组成人体的重要成分。尤其是肌肉组织，更是蛋白质为主要成分，如果蛋白质缺乏，肌肉就会减少，肌肉的力量等也会减少。

所以很多健身的人，为了增加肌肉，让肌肉显得更有线条，就会通过食用蛋白质粉，或者水煮鸡胸肉等，为身体补充蛋白质。

2、维持人体生命活动的重要基础

人体的生命活动，主要就是在各种酶的催化下，进行各种的生物化学反应。而且还有各种激素，对于身体的各种生理机能进行调节。而这些酶和激素，都是由蛋白质所组成的。所以说，蛋白质可以说是人体生命活动的重要物质基础。

3、供给能量

一般来说供能是碳水化合物或者脂肪的任务，但是当它们供能不足的时候，蛋白质会自身分解而向人体供能，从而保证人体的正常生理活动。人体每日所需的能量中，有10%~20%来自蛋白质。

过程：

简单而言即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序。

具体：

起始阶段：mRNA在细胞核合成过后通过核孔进入细胞质基质，与核糖体结合，携带甲硫氨酸的的tRNA、通过与碱基AUG的互补配对进入位点1。

进位：根据位点2上密码子引导，相应的氨基酸的tRNA进入位点2，称为进位。

转肽：转肽酶催化催化位点1上甲硫氨酸与位点2上tRNA携带的氨基酸发生脱水缩回，是位点2上tRNA链接一个二肽。

移位：核糖体向后移动三个碱基的位置，原来位点2变成位点1，新的位点2空出来了，继续进行进位转肽和移位，不但重复这三步，每循环一次，多肽链上就多一个氨基酸，多肽链就延伸一点。

直到位点2上的密码子是UAA、UAG、或UGA这三种终止密码子，因为没有对应的tRNA及氨基酸与终止密码子结合，多肽链的延伸到此为止。

我国首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成，这一实验结果将会用在农业饲料生产方面。以纯锁君蛋白的应用与类别划分和饲料行业常用的酵母蛋白一质，在今年八月已经获得农业农村部颁发的饲料新产品证书。

蛋白质生物合成亦称为翻译（Translation），即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程。这也是基因表达的第二步，产生基因产物蛋白质的最后 蛋白质合成节段。不同的组织细胞具有不同的生理功能，是因为它们表达不同的基因，产生具有特殊功能的蛋白质，参与蛋白质生物合成的成份至少有200种，其主要体第主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成原核生物与真核生物的蛋白质合成过程中有很多的区别，真核生物此过程更复杂，下面着重介绍原核生物蛋白质合成的过程，并指出真核生物与其不同这处。蛋白质生物合成可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。

制备原料有淀粉、乙烯、磷酸、硫酸、葡糖淀粉酶，衍生产品为盐酸乙醇液、二硫化硒、环氧乙烷、对二乙基苯、联苯、6-甲氧基-2-乙酰萘、戊基氰基三联苯、乙醛、甲醛、乙醇钠、乙醚、乙酸乙酯、乙醇（无水）、复盆子酮等。

工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇：

1、发酵法

糖质原料（如糖蜜、亚硫酸废液等）和淀粉原料（如甘薯、玉米、高梁等）发酵；

发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的，在相当长的历史时期内，曾是生产乙醇的唯一工业方法。

发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，如谷类、薯类或野生植物果实等；也可用制糖厂的废糖蜜；或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这些物质经一定的预处理后，经水解（用废蜜糖作原料不经这一步）、发酵，即可制得乙醇。

发酵液中的质量分数约为6%~10%，并含有其他一些有机杂质，经精馏可得95%的工业乙醇。

2、乙烯水化法

乙烯直接或间接水合。

乙烯直接水化法，就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下，是乙烯与水直接反应，生产乙醇：

CH2═CH2 + H─OH→C2H5OH

（该反应分两步进行，第一步是与醋酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物，而后用硼氢化钠还原）

此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气，成本低，产量大，这样能节约大量粮食，因此发展很快。

3、煤化工

工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得，而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术，将煤转化为合成气，直接或者间接的合成乙醇。

4、联合生物加工

利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。来源广泛的纤维素将是很有潜力的生产乙醇原料。然而由于各种原因，一般的发酵法生产乙醇成本较高，乙醇生产难以规模化。联合生物加工技术，一体化程度高，能有效降低生产成本，未来发展前景广阔。

①原因

生物转化使用的原料是玉米等粮食作物，但是这些原料的大量使用会影响到粮食安 全，所以秸秆、麸皮、锯木粉等农业、工业废弃物等含有大量的木质纤维素，将是很有潜力的乙醇发酵原料。另外，生物燃料的生产过程中，纤维素的预处理和纤维素酶的生产成本较高。因此减少预处理，增强纤维素酶的活性，提高发酵产物的产量和纯度，减少中间环节也是降低生产成本的途径。

②原理

联合生物加工 (consolidated bioprocessing，CBP)不包括纤维素酶的生产和分离过程，而是把糖化和发酵结合到由微生物介导的一个反应体系中，因此与其他工艺过程相比较，底物和原料的消耗相对较低，一体化程度较高。

③工艺

生理学研究和¹⁴C标记的纤维素实验说明，生长于纤维素上的微生物的生物能量效益取决于胞内低聚糖摄取过程中β一糖苷键磷酸解的效率，并且这些效益超过了纤维素合成的生物能量成本。这些研究为纤维素分解菌在纤维素上快速生长提供了实验依据和理论依据。 应用联合生物加工的关键是构建出能完成多个生化反应过程的酶系统，使纤维素原料通过一个工艺环节就转变为能源产品。一些细菌和真菌具有CBP所需要的特性，所以改造现有的微生物已成为研究的热点。以基因重组等为代表的生物工程技术已经使这种设想成为现实，并为设计出更完善的CBP酶系统提供了可能。对相关的微生物改造主要有以下3个策略：

天然策略

是将本身可产生纤维素酶的微生物，尤其是厌氧微生物进行改造，使其适应CBP生产的要求。这种策略关键在于，提高对乙醇的耐受力，减少副产物的生成，导入新的代谢基因将糖化产物全部或者大部分进行发酵，从而产出高浓度的乙醇。

重组策略

是通过基因重组的方法表达一系列的外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶等纤维素酶基因，使微生物能以纤维素为唯一碳源，将来源于纤维素的糖类完全或者大部分进行发酵。 重组策略所遇到的问题有：(1)外源基因共表达对细胞的有害性。(2)需要在转录水平使外源基因适量表达。 (3)一些分泌蛋白可能折叠不正确。因为纤维素降解蛋白合成之后必须要正确折叠才能分泌并行使功能。未正确折叠的蛋白分泌后要通过内质网结合蛋白降解，而且对内质网造成压力。

共培养策略

共培养策略有两层含义：一是指发酵液中存在的不同的类型的微生物，利用广泛类型的糖类底物。例如将仅能利用己糖的热纤维梭菌与能利用戊糖的微生物进行共培养。这能避免不同生物间的底物竞争，实现乙醇产量最大化。二是指存在不同特性的微生物相互协作，加强发酵效果。

④特点

i、提高乙醇耐受力

高浓度的乙醇能改变细胞膜上的受体蛋白，阻遏糖酵解和代谢循环，最终抑制细胞的生长和发酵。许多证据表明，乙醇耐受基因不是单一的基因，全转录工程提供了一个新方法。例如分别通过三种转录调控因子基因的突变，酿酒酵母的乙醇耐受力有所提高。

ii、提高糖转运效率

糖类不能自由地穿过细胞膜，微生物是通过特定的糖转运蛋白来利用糖类，所以了解糖转运机制是必要的。转运蛋白作为培养基中糖浓度的“感受器”，可产生相应的胞内信号．不同的糖转运蛋白在不同的浓度下行使功能，从而使微生物在较广的范围内利用糖类。

这是生物方法的综合运用。当然，还有其他的生产工艺方法，基本原理都是运用生物发酵的方法生产乙醇，如：木质纤维素原料酶水解产乙醇，玉米秸秆发酵生产乙醇等。这些基本的发酵方法通过联合生物加工，可以大大提高乙醇的生产效率、减低生产成本。

⑤提纯

75%的乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95.5%。此后形成恒沸物，不能提高纯度。

95%的乙醇可以用生石灰煮沸回流提纯到99.5%。

99.5%的乙醇可以用镁条煮沸回流制得99.9%的乙醇。

i、分批萃取精馏法

乙醇的生产离不开精馏、萃取等化工流程。氧化钙脱水法、共沸精馏、吸附精馏、渗透汽化、吸附法、萃取精馏法和真空脱水法等多用在乙醇的回收和提纯的方面。实际生产中较成熟的方法是共沸精馏和萃取精馏,这2 种分离方法多以连续操作的方式出现。在一些领域生产乙醇设备简单、投资小,可单塔分离多组分混合物,或同一塔可处理种类和组成频繁更换的物系。分批共沸精馏可以同时满足这些要求,但是分批共沸精馏所需的塔板数较多,产品中常含有微量的苯不能应用于医药和化学试剂领域,且生产中易发生苯中毒事故。

分批萃取精馏(BED) 则无以上缺点，且可以同时具备分批精馏与萃取精馏两者的优点。其工艺特点是连续萃取精馏至少需要3 个精馏塔的工艺来完成：乙醇稀溶液富集到共沸组成(乙醇质量分数95.7 %) ，萃取精馏回收无水乙醇，回收溶剂以循环使用。并且连续萃取精馏法只适于原料组成固定的、规模较大的连续生产中。而且设备投资少，仅用单塔可完成原料富集、萃取精馏和溶剂回收3 项任务；且精密度高，可根据实际生产的需求，灵活地调节产品纯度；节省操作成本、无需连续操作；此设备也可用于回收其他有机溶剂。

ii、分子筛固定床吸附法（简称分子筛法）

分子筛是一种无色、无臭、无毒的新材料,在无水乙醇制备和其他共沸混合物分离过程中无需添加第三组分,生产过程几乎无毒害三废排放；共沸法牵涉到苯、环已烷等高毒性的第三组分。工艺简单可靠、产品质量优，是一种环保、节能型工艺。

优点是可以降低设备安装高度，提高固定床有效吸附量及成品质量稳定性。产生的废气、废渣、废液均有很好的处理方法。