我国科学领域迎来第二次巅峰突破：二氧化碳直接合成淀粉
作者 | 吴彤
编辑 | 青暮
我们总是擅长用发展的办法来解决发展中的问题。长远来看，这一技术属于生物合成领域的里程碑式的突破进展，具有极强的工业潜力，也是宇宙星际移民必备技术。
从左至右：乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理。图源：新华社。
今天，我国科学家轰动科技界的一项大研究出世：二氧化碳到淀粉的人工合成技术。这不仅是人类首次找到了替代植物光合作用获取淀粉的方法，还为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供了一种新思路。
多位中外专家评论认为，不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。这更让人们看到一种可能——农业可以由种植模式向工业车间生产模式转变，人类向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约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，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平。
这项成果的意义还不止于此，它也意味着，继上世纪60年代中国首次人工合成了结晶牛胰岛素后，我国科学领域迎来的第二次巅峰突破！
牵一发而动千钧，在科技向善的每一个步伐上，一切事物内涵的好坏兴废、生物间的渊源发展及亲疏都关系到国家系统工程的推进。这一研究成果也终于在今天回应了习总书记两年前的讲话，要在推动美丽中国建设的伟大进程中，追求人与自然和谐，山峦层林尽染，平原蓝绿交融，城乡鸟语花香。这样的现代化建设，既能带来美的享受，也是人类走向未来的依托。
在新千年，我们曾展望：21世纪将是生命科学的时代。时至今日，我们遥看未来之中国、未来之世界，心有澎湃，也更有底气。
在成果背后，是中科院天津工业生物技术研究所与中科院大连化学物理研究所等院内外研究团队的联合攻关，6年深耕，创制了一条利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线。
中国科学家在淀粉人工合成方面取得的重大颠覆性成果，也获中外同行专家高度评价，认为这是典型的0到1原创性突破，是扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”，不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。
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合成淀粉技术开了一扇窗
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合成淀粉技术开了一扇窗
能量转化效率从自然的2%到人工的10%
植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。
归根到底，我们吃的食物是植物通过光合作用生产的。而光合作用极简化之后，就是以绿色植物为反应平台，以太阳能为能量，经过一系列生化反应，将空气中的二氧化碳（无机碳）以及水转化为碳水化合物（有机碳）并释放氧气的过程。
其中最重要的也是限制性的因素就是反应平台（植物），关系到碳水化合物转化的数量及效率。我们农业种粮食，本质都是为了提供光合作用的"反应平台"。比如保护耕地增加种植面积，是为了增加"反应平台"的数量；培育高产品种是为了提高"反应平台"的转化效率。而搭建植物这个反应平台是个"漫长"且困难的过程，从播种到收获，会经历几个月到几年的时间，还会受很多非人为因素的影响，如适宜生长的环境（温度、光照、水分、土地养分等），病虫害、自然灾害等。
在这些难以完全可控的因素背后，中国有像袁隆平一样的水稻专家，致力于农作物的丰产扩种，解决世界粮食短缺问题；也有像马延和一样的生物科学研究员，完全跳出光合作用的路径，采用了纯工业的手段来搭建"反应平台"。
想要植物的生生存反应环境，涉及到模拟叶绿体的环境、各种膜系统、各种酶，在植物体内，这个过程涉及大约 60 步生化反应、复杂的生理调节，理论上总体能量转换效率在 2% 左右。由于光合作用的过程极为复杂，人工光合作用的研究一直进展不大。而在人工合成淀粉技术中，耕地、气候等限制因素基本排除，理论上只要原料和能量充足，在各种环境下就能稳定生产淀粉（食物）。
天津工业生物所联合中科院大连化学物理研究所的研究者设计了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线仅涉及 11 步核心生化反应，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。
构筑新的人工光合途径
"从能量角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。"马延和解释。
可如何更高效的将光能转变为化学能？模拟和借鉴自然过程，构筑新的人工光合途径，科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式，首先通过光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电水解产生氢气，然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能，该过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率。
甲醇储存了来自太阳能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。于是，科研人员又利用合成生物学的思想，从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。
为将设计蓝图变为现实，科研人员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优，使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖，最终合成了直链和支链淀粉。
具体来看，研究者创建的新路线是通过「搭积木」的方式建立的，他们整合了化学和生物的催化模块，以生物技术创新的方式利用了高密度能量和高浓度二氧化碳。研究人员解决了底物竞争、产物抑制和热力学适应等问题，使用空间和时间分隔系统地优化了这种混合系统。
人工合成淀粉的路线图 论文链接：DOI：10.1126/science.abh4049
简单来说，反应过程就是:
CO2→C1 (分子内1个碳原子的有机物) →C3→C6→Cn (即淀粉)，从无机物到有机物的过程是第一步。
团队对ASAP (artifical starch anabolic pathway,人工淀粉合成路线)进行了多次迭代：
ASAP1.0解决有和无的问题， 上面链条的每一步都有多种不同的路径选择，最终选择了CO2→甲醇的这条路线。
ASAP2.0优化了反应效率
ASAP3.0 (最终版)将化学反应(CO2氢化)和后续的生物酶反应结合起来
ASAP3.1: 在最后一步使用了从Vibrio vulnificus (一种弧菌) 中获得的酶(Starch Branching Enzyme)来生成更接近现实中淀粉结构的直链-支链淀粉比例。
不过需要注意的是，目前这个合成路线还是实验室阶段, ASAP3.0的生产效率是410mg/L/小时。同时反应中使用了大量生物酶，对于反应条件的要求会比化学催化剂更加苛刻。
人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装
和标准天然淀粉对比，人工合成的淀粉的结构基本一致。无论是吸收峰，还是核磁共振信号，都佐证了这种合成和天然淀粉非常接近。下图是合成的淀粉实物图。
按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于 5 亩土地的玉米淀粉年平均产量，为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。此外，根据报道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率约为2%（玉米），而工业合成效率可以达到10%以上。
难题在哪
1，合成实验是酶化学，不是全化学合成。但酶既昂贵，反应条件又异常苛刻，反应温度调整一两摄氏度结果悬殊。如果是全化学合成，或许可以通过加大投料、提高反应温度和反应装置压力等方式提高反应速率，但酶化学反应变动幅度大。
2，反应需要二氧化碳和氢气。氢气在当前很贵且存在储运难度，大规模应用的阶段必须解决氢气来源问题。
3，反应所需的“能源充足”基本上是个伪命题。根据文章中1立方米反应器相当于5亩玉米田淀粉产量的数据，能量消耗应该不小。目前，用这项技术生产淀粉的总成本远高于通过农作物生产同样多的淀粉。
总之，目前这一成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离。据介绍，科研人员正在针对工业化的问题进行攻关，比如解决酶的稳定性、活力、成本等问题，探索多条技术路线等，预计未来5到10年能够建立起工业化示范装置。
但技术背后意味着什么？论文一作蔡韬解释，这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗。有了人工工业合成淀粉的能力，粮食问题、耕地、生态以及气候问题都可以得到很好地解决。
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结尾
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秋分已至，农民丰收节在昨，我们不约而同地想起袁老，或许正是因为传统农业的生生不息和沉甸甸的丰收喜悦，我们未曾忘记那些凝视风雨和土地的人。在今天，我们对马老师团队同样报以敬佩，对科技的生命力投以抱负，首先认同的就是这一代大国工匠的坚韧品质，以及在经济结构换挡升级中穿云破雾的思想力量。
“后续，研究团队还需要尽快实现从0到1的概念突破到1到10和10到100的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。"中科院副院长周琪表示，中科院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。
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