从0到1的突破！人工合成淀粉的意义与前景

来源：经济日报

从0突破到1！

合成淀粉的意义与展望

本站记者 沈辉

想象一下，没有土地，没有绿色植物，阳光、水和二氧化碳为原料，在工厂里可以像源源不断的淀粉生产。这不是很神奇吗？现在，这看似遥不可及，在不久的将来，有望实现。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所传来好消息：经过6年的技术攻关，科研团队在淀粉人工合成方面取得了重大突破，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从零开始合成。

不依靠植物光合作用来设计人工生物系统来固定二氧化碳和合成淀粉，这是一项国际学者认为对世界产生重大影响的颠覆性技术，其优势是什么？其突破的科学意义和实践意义是什么？记者采访了该报作者及相关专家。

突破瓶颈

中国人注重碳水饮食，清代美食家袁毅曾在《菜与园菜单》中写道，"粥米书也是，剩下的菜也完了"，这足以看出中国人对碳水的热爱。碳水或碳水化合物由碳，氢和氧组成，这对人类生存至关重要。淀粉是粥米中最重要的碳水化合物，它是面粉、大米、玉米等谷物的主要成分，是养活全球人口最重要的食品原料，也是重要的工业原料。

多年来，农作物通过光合作用，水、二氧化碳等无机化合物可作为动物饲料和人类食物中的糖类甚至淀粉等碳水化合物，是地球上最重要的生化反应过程。但这是生产淀粉的最有效方法吗？答案是否定的。

根据该论文的作者，天津工业生物学研究所所长马延和的说法，玉米等作物将二氧化碳转化为淀粉涉及约60种代谢反应和复杂的生理调节，太阳能的使用效率不到2%。"植物已经进化了数亿年以适应自然环境，它们的固有特性限制了淀粉的有效合成。"梅恩说。

有没有办法摆脱植物来合成淀粉？自合成生物学诞生以来，人们一直试图人工构建非自然途径，以实现二氧化碳向淀粉的转化，以突破植物介质光合作用的瓶颈。但是，由于技术路线不明确，瓶颈问题难以发现，因此在这条科研道路上存在许多不确定性。

马延和其他人决定勇敢地面对"无人区"。2015年以来，在中国科学院天津工业生物学重点部署项目和天津市财政专项的支持下，开展了二氧化碳合成淀粉研究项目。

经过六年的战斗，研究小组终于得到了他们想要的东西。该论文的第一作者、天津工业生物研究所副研究员蔡伟兴奋地说："我们比较合成淀粉和天然淀粉，核磁的结果是完全一样的，可以说合成淀粉其实和天然淀粉没什么区别。"

那是什么意思？数据显示，2019年全球近7.5亿人将面临严重的粮食不安全，占世界人口的近十分之一。"甚至取代一些谷物淀粉作为工业原料甚至饲料，也是缓解农业压力的巨大贡献。"梅恩说。

技术路径

这种颠覆性的技术是如何通过用二氧化碳合成淀粉来制造的？从能源的角度来看，光合作用的本质是将太阳能转化为储存在淀粉中的化学能，Mayenhew告诉记者。

如何更有效地将光能转化为化学能？模拟和借鉴自然过程构建新的人工光合作用路径，研究人员想到了光能-电能-化学能的能量转换模式，首先通过光伏发电将光能转化为电能，通过光伏水解产生氢气，然后通过催化利用氢气还原二氧化碳产生甲醇， 该过程的能量转换效率超过10%，远远超过能量利用效率。

甲醇储存来自太阳能的能量，但自然界中没有甲醇合成淀粉的生命过程。因此，利用合成生物学的思想，研究人员设计了一条从甲醇到淀粉的人工路线，其中仅包含来自大量生化反应数据的10个主要反应。

为了使蓝图成为现实，研究人员还挖掘和修饰了来自动物、植物和微生物等31个不同物种的62种生物酶催化剂，最后选择了最好的，利用10种酶逐渐将一碳甲醇转化为三碳二氧丙酮，进一步转化为六碳葡萄糖磷酸盐，最后合成了直链和支链淀粉。

"这是一个合成淀粉用于人工光合作用的过程。Mayenhe说，从科学突破的角度来看，这种人工途径的淀粉合成是朝着设计自然和超越自然目标迈出的一大步，为创造新的功能性生物系统提供了新的科学基础。

从技术创新的角度来看，通过开发高效的人工催化剂和生物酶，研究团队设计了一种从6568个生化反应中形成碳固存和合成淀粉的新方法。根据20%光电转换效率的计算，这种新型化学和生物杂化合成淀粉系统理论能量转换效率可达7%，淀粉合成速率比天然光合作用高3.5倍。

那是什么意思？蔡先生解释说，按照目前的技术参数，在能源供应充足的条件下，一台1立方米大小的生物反应器的年淀粉产量理论上相当于5亩玉米栽培的淀粉产量（基于我国玉米淀粉的平均产量），"这一结果为工业车间制造从二氧化碳到淀粉生产的窗口"。

应用前台

据江南大学前校长、中国工程院院士陈健介绍，粮食生产约占世界耕地面积的40%，产生的温室气体占25%。本研究成果结合化学和生物方法，利用蛋白质工程、合成生物学等一系列新技术，直接从二氧化碳合成淀粉，彻底颠覆了传统的淀粉生产方法。这项研究是典型的"0到1"的原始结果，不仅对未来的农业生产，特别是粮食生产产生了革命性的影响，而且对全球生物制造业的发展也产生了里程碑式的影响。

马延河表示，如果该系统的工艺成本在未来与农业种植相比在经济上可行，并且实际应用，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平。

不过，他也强调，研究成果还处于实验室阶段，离实际应用还有很长的路要走，面临诸多挑战。

"在后续工作中，研究团队还需要尽快从'0到1'的概念突破转向'1~10'和'10~100'，让这项技术最终成为解决人类发展问题的有效手段和工具。中国科学院副院长周琦表示，中国科学院将整合相关科技力量，一如既往地支持研究的进一步发展。

"当今世界正面临全球气候变化、粮食安全、能源短缺、生态污染等一系列重大挑战，科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳和合成淀粉的转化利用是应对挑战的重大科技问题之一。"周琦说。