来源:经济日报

从0到1的突破！

合成淀粉的意义和前景

本报记者申会

想象一下，不需要种植土地或绿色植物，利用阳光、水和二氧化碳为原料，就可以像工厂里的植物一样源源不断地生产淀粉。是不是很神奇？现在，这个看似遥不可及的场景有望在不久的将来实现。

近日，从中科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，研究团队在人工合成淀粉方面取得重大突破，在国际上首次实现了二氧化碳从头合成淀粉。

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，被国际学术界认为是将影响世界的重大颠覆性技术，有什么厉害的吗？它的突破有什么科学和现实意义？记者采访了论文作者和相关专家。

突破瓶颈

中国人特别注重碳水化合物饮食。清代美食家袁枚曾在《随园食单》中写道“粥饭在前，剩饭在后”，可见中国人对碳水化合物的喜爱。这里的碳水化合物是碳水化合物，由碳、氢、氧组成，是人类生存的必需元素。淀粉是稀饭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，是养活全球人口的最重要的食品原料，也是重要的工业原料。

多年来，作物通过光合作用，将水、二氧化碳等无机化合物合成为糖类甚至淀粉等碳水化合物，可用作动物饲料和人类食物，这是地球上最重要的生化反应过程。但是这是生产淀粉最有效的方法吗？答案是否定的。

根据论文作者、天津工业生物研究所所长马延河提供的数据，在玉米等作物中，二氧化碳转化为淀粉涉及约60个代谢反应和复杂的生理调控，太阳能的利用效率不到2%。“经过亿万年的进化，植物已经适应了自然环境，其固有的特性制约了淀粉的高效合成。”马延河说。

有什么办法可以摆脱植物来合成淀粉？自合成生物学诞生以来，人们一直试图构建非自然的途径将二氧化碳转化为淀粉，从而突破植物介导的光合作用的瓶颈。但由于技术路线不清晰，瓶颈不可预测，科研这条路存在很多不确定性。

马延河等人决定勇闯“无人区”。2015年以来，天津工业生物研究所在中科院重点部署项目和天津市财政专项的支持下，立项开展二氧化碳淀粉合成研究。

经过六年的奋战，研究小组终于得到了他们想要的东西。论文第一作者、天津市工业生物研究所副研究员蔡涛兴奋地说，“我们把合成淀粉和天然淀粉进行对比，核磁共振结果完全一样。可以说，合成淀粉其实和天然淀粉没什么区别。”

这是什么意思？数据显示，2019年，全球有近7.5亿人面临严重的粮食不安全，占全球总人口的近十分之一。“甚至替代一部分粮食淀粉作为工业原料甚至饲料，对缓解农业压力都是很大的贡献。”马延河说。

技术路径

用二氧化碳合成淀粉，这种颠覆性的技术是如何提炼出来的？马延河告诉记者，从能量的角度来看，光合作用的本质是将太阳光能转化为储存在淀粉中的化学能。

光能如何更高效的转化为化学能？通过模拟和学习自然过程，构建了一种新的人工光合作用方式。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，通过光伏电水解产生氢气。然后二氧化碳被催化氢还原成甲醇，电能转化为储存在甲醇中的化学能。这个过程的能量转换效率超过10%，远远超过光合作用的能量利用效率。

甲醇储存来自太阳能的能量，但自然界没有甲醇合成淀粉的生命过程。因此，研究人员利用合成生物学的思想，从海量的生化反应数据中，设计了一条从甲醇到淀粉的人工路线ASAP，该路线只包含10个主要反应。

为了将设计蓝图变成现实，研究人员还从包括动物、植物和微生物在内的31个不同物种中挖掘和改造了62种生物酶催化剂，最终选出了最好的。用十种酶将一个碳的甲醇逐渐转化为三个碳的二羟基丙酮，进一步转化为六个碳的葡萄糖磷酸，最后合成直链淀粉和支链淀粉。

"这是一个通过人工光合作用合成淀粉的过程."马延河说，从科学突破的角度来看，这种人工合成淀粉的方式向设计自然、超越自然的目标的实现迈进了一大步，为创造具有新功能的生物系统提供了新的科学基础。

从技术创新的角度，通过开发高效的人工催化剂和生物酶，研究团队设计并形成了从6568生化反应中固碳合成淀粉的新途径。按照光电转换效率20%计算，这种新型化学生物合成淀粉体系的理论能量转换效率可达7%，其淀粉合成速率比自然光合作用高3.5倍。

这是什么意思？蔡涛解释说，按照目前的技术参数，在能源供应充足的情况下，理论上1立方米生物反应器的年淀粉产量相当于5亩土地种植玉米的淀粉产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算)。“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”。

应用前景

据前江南大学校长、中国工程院院士陈建介绍，粮食生产占用了全球约40%的耕地，产生了25%的温室气体。作为最重要的食物成分之一，淀粉的可持续供应是未来人类面临的重要挑战。这一研究成果将化学和生物方法相结合，利用蛋白质工程、合成生物学等一系列新技术，由二氧化碳直接合成淀粉，彻底颠覆了传统的淀粉生产方式。这项研究工作是典型的“从0到1”的原创性成果，不仅对未来农业生产特别是粮食生产产生了革命性的影响，对全球生物制造业的发展也具有里程碑式的意义。

马延河表示，如果这一系统的工艺成本与未来农业种植相比在经济上可行，并在实践中应用，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药化肥对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平。

但他也强调，目前，这一成果还处于实验室阶段，离实际应用还很远，面临诸多挑战。

“后续，研究团队还需要尽快实现从‘0到1’到‘1到10’、‘10到100’的概念突破，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。”中科院副院长周琦表示，中科院将整合相关科技力量，一如既往地支持这项研究的进一步推进。

“当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战。科技创新已经成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化和利用以及合成淀粉正是迎接这一挑战的重大科技问题之一。”周琦说。