据联合国预测，到2050年全球食品需求将增长约60%，但届时可新增的农业用地仅为2%左右。慕尼黑工业大学（Technical University of Munich, TUM）的研究人员正在探索保障粮食安全的新路径，其施特劳宾校区团队开发出了一项利用二氧化碳、氢气和可再生能源生产必需氨基酸的工艺。
慕尼黑工业大学博士生维多利亚·莱曼（Viktoria Lehmann）介绍了这种生物技术合成氨基酸的潜在应用场景：“奶牛仅靠牧场的牧草远远不够，要实现高产奶量需要补充蛋白质，这类蛋白通常通过饲料供给，而饲料中会添加氨基酸——即蛋白质的化学组成单元。全球畜牧生产体系每年需要消耗数百万吨氨基酸作为饲料添加剂，但现有氨基酸生产工艺会消耗大量土地、水资源及其他资源，我们希望找到一种资源效率更高的方式来满足这类蛋白需求。”
该团队的研究成果以《即插即用——利用甲醇与二氧化碳酶法生产氨基酸》（Plug and Play – Enzymatic Amino Acid Production from Methanol and Carbon Dioxide）为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊，其技术原理为：通过光伏系统将太阳能转化为电能，再利用电能制备氢气，氢气与二氧化碳反应合成甲醇——一种工业上广泛使用的化学前体醇类物质，随后通过特异性酶将甲醇逐步转化为氨基酸，最终产物的氨基酸种类由所用的特异性酶决定。
慕尼黑工业大学生物源资源化学教授、施特劳宾校区校长福尔克·西贝尔（Volker Sieber）博士表示：“植物利用阳光合成生物质的效率相对较低，我们正在探索一种替代路径：先将可再生能源转化为化学能载体，再进一步合成高价值的蛋白构件。长期来看，该技术可提升现有土地的生产效率，实现氨基酸的可持续生产。”
模块化平台技术
2023年，研究人员已验证可利用绿色甲醇生产氨基酸L-丙氨酸，最新研究将该技术的适用范围拓展至共7种氨基酸。博士研究生薇薇安·威勒斯（Vivian Willers）的研究为该成果奠定了基础，她表示：“我们的模块化即插即用概念类似于积木套件，从最初只能生产单一氨基酸，正逐步发展为一项利用可再生能源生产蛋白构件的平台技术。”
目前该团队已成功合成甘氨酸、丝氨酸、L-天冬氨酸、L-缬氨酸、L-谷氨酸和L-脯氨酸。未来该技术可降低对大豆等富蛋白饲料原料的依赖（这类原料的生产过程往往并不环保）；此外，上述氨基酸也是细胞培养肉生产所用培养基的核心组分，因此研究人员认为该技术的应用场景远不限于传统农业领域。
尽管研究团队已验证了完整的工艺链——从二氧化碳到甲醇，最终合成氨基酸，但目前的产量仍不足以满足商业化应用需求，研究人员正在进一步优化相关酶的催化性能。
“我们的研究核心是完成技术可行性验证，”西贝尔指出，“我们已经证明可利用二氧化碳基甲醇生产多种具有生物学相关性的氨基酸，这为蛋白构件的可持续生产开辟了新的可能性。”
专业注释
- L-型氨基酸：生物体内天然存在、具备生理活性的氨基酸构型
- 酶法合成：以酶为催化剂的生物合成工艺，特异性高、副反应少
- 绿色甲醇：利用可再生能源制备、碳足迹趋近于零的甲醇产品