“喝西北風”也能活？我國學(xué)者用二氧化碳人工合成淀粉

發(fā)布時間：2021-09-26瀏覽：2566次

我們總是擅長用發(fā)展的辦法來解決發(fā)展中的問題。長遠來看，這一技術(shù)屬于生物合成領(lǐng)域的里程碑式的突破進展，具有極強的工業(yè)潛力，也是宇宙星際移民必備技術(shù)。

今天，我國科學(xué)家轟動科技界的一項大研究出世：二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)。這不僅是人類首次找到了替代植物光合作用獲取淀粉的方法，還為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現(xiàn)的技術(shù)路線提供了一種新思路。

多位中外專家評論認為，不依賴植物光合作用，設(shè)計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)。這更讓人們看到一種可能——農(nóng)業(yè)可以由種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，人類向設(shè)計自然、超越自然目標的實現(xiàn)邁進了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

如果未來二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，推動形成可持續(xù)的生物基社會，提高人類糧食安全水平。

這項成果的意義還不止于此，它也意味著，繼上世紀60年代中國首次人工合成了結(jié)晶牛胰島素后，我國科學(xué)領(lǐng)域迎來的第二次巔峰突破！

牽一發(fā)而動千鈞，在科技向善的每一個步伐上，一切事物內(nèi)涵的好壞興廢、生物間的淵源發(fā)展及親疏都關(guān)系到國家系統(tǒng)工程的推進。這一研究成果也終于在今天回應(yīng)了習(xí)總書記兩年前的講話，要在推動美麗中國建設(shè)的偉大進程中，追求人與自然和諧，山巒層林盡染，平原藍綠交融，城鄉(xiāng)鳥語花香。這樣的現(xiàn)代化建設(shè)，既能帶來美的享受，也是人類走向未來的依托。

在新千年，我們曾展望：21世紀將是生命科學(xué)的時代。時至今日，我們遙看未來之中國、未來之世界，心有澎湃，也更有底氣。

在成果背后，是中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與中科院大連化學(xué)物理研究所等院內(nèi)外研究團隊的聯(lián)合攻關(guān)，6年深耕，創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電能合成淀粉的人工路線。

中國科學(xué)家在淀粉人工合成方面取得的重大顛覆性成果，也獲中外同行專家高度評價，認為這是典型的0到1原創(chuàng)性突破，是擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”，不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響。

合成淀粉技術(shù)開了一扇窗

能量轉(zhuǎn)化效率從自然的2%到人工的10%

植物之所以被稱為食物鏈的生產(chǎn)者，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產(chǎn)有機物并且貯存能量。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物及細菌所貯存的能量。對于生物界的幾乎所有生物來說，這個過程是它們賴以生存的關(guān)鍵。而地球上的碳氧循環(huán)，光合作用是必不可少的。

歸根到底，我們吃的食物是植物通過光合作用生產(chǎn)的。而光合作用極簡化之后，就是以綠色植物為反應(yīng)平臺，以太陽能為能量，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，將空氣中的二氧化碳（無機碳）以及水轉(zhuǎn)化為碳水化合物（有機碳）并釋放氧氣的過程。

其中最重要的也是限制性的因素就是反應(yīng)平臺（植物），關(guān)系到碳水化合物轉(zhuǎn)化的數(shù)量及效率。我們農(nóng)業(yè)種糧食，本質(zhì)都是為了提供光合作用的"反應(yīng)平臺"。比如保護耕地增加種植面積，是為了增加"反應(yīng)平臺"的數(shù)量；培育高產(chǎn)品種是為了提高"反應(yīng)平臺"的轉(zhuǎn)化效率。而搭建植物這個反應(yīng)平臺是個"漫長"且困難的過程，從播種到收獲，會經(jīng)歷幾個月到幾年的時間，還會受很多非人為因素的影響，如適宜生長的環(huán)境（溫度、光照、水分、土地養(yǎng)分等），病蟲害、自然災(zāi)害等。

在這些難以完全可控的因素背后，中國有像袁隆平一樣的水稻專家，致力于農(nóng)作物的豐產(chǎn)擴種，解決世界糧食短缺問題；也有像馬延和一樣的生物科學(xué)研究員，完全跳出光合作用的路徑，采用了純工業(yè)的手段來搭建"反應(yīng)平臺"。

植物的生存反應(yīng)環(huán)境，涉及到模擬葉綠體的環(huán)境、各種膜系統(tǒng)、各種酶，在植物體內(nèi)，這個過程涉及大約 60 步生化反應(yīng)、復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)，理論上總體能量轉(zhuǎn)換效率在 2% 左右。由于光合作用的過程極為復(fù)雜，人工光合作用的研究一直進展不大。而在人工合成淀粉技術(shù)中，耕地、氣候等限制因素基本排除，理論上只要原料和能量充足，在各種環(huán)境下就能穩(wěn)定生產(chǎn)淀粉（食物）。

天津工業(yè)生物所聯(lián)合中科院大連化學(xué)物理研究所的研究者設(shè)計了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線。這條路線僅涉及 11 步核心生化反應(yīng)，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。

構(gòu)筑新的人工光合途徑

"從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為儲藏在淀粉中的化學(xué)能。"馬延和解釋。

可如何更高效的將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能？模擬和借鑒自然過程，構(gòu)筑新的人工光合途徑，科研人員想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)變方式，首先通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^光伏電水解產(chǎn)生氫氣，然后通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲存的化學(xué)能，該過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率。

甲醇儲存了來自太陽能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。于是，科研人員又利用合成生物學(xué)的思想，從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計出了一條僅包含10步主反應(yīng)的甲醇到淀粉的人工路線ASAP。

為將設(shè)計藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實，科研人員還挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最終合成了直鏈和支鏈淀粉。

具體來看，研究者創(chuàng)建的新路線是通過「搭積木」的方式建立的，他們整合了化學(xué)和生物的催化模塊，以生物技術(shù)創(chuàng)新的方式利用了高密度能量和高濃度二氧化碳。研究人員解決了底物競爭、產(chǎn)物抑制和熱力學(xué)適應(yīng)等問題，使用空間和時間分隔系統(tǒng)地優(yōu)化了這種混合系統(tǒng)。

人工合成淀粉的路線圖 論文鏈接：DOI：10.1126/science.abh4049

簡單來說，反應(yīng)過程就是：

CO2→C1 (分子內(nèi)1個碳原子的有機物) →C3→C6→Cn (即淀粉)，從無機物到有機物的過程是第一步。

團隊對ASAP (artifical starch anabolic pathway,人工淀粉合成路線)進行了多次迭代：

ASAP1.0解決有和無的問題， 上面鏈條的每一步都有多種不同的路徑選擇，最終選擇了CO2→甲醇的這條路線。

ASAP2.0優(yōu)化了反應(yīng)效率

ASAP3.0 (最終版)將化學(xué)反應(yīng)(CO2氫化)和后續(xù)的生物酶反應(yīng)結(jié)合起來

ASAP3.1: 在最后一步使用了從Vibrio vulnificus (一種弧菌) 中獲得的酶(Starch Branching Enzyme)來生成更接近現(xiàn)實中淀粉結(jié)構(gòu)的直鏈-支鏈淀粉比例。

不過需要注意的是，目前這個合成路線還是實驗室階段, ASAP3.0的生產(chǎn)效率是410mg/L/小時。同時反應(yīng)中使用了大量生物酶，對于反應(yīng)條件的要求會比化學(xué)催化劑更加苛刻。

人造淀粉合成代謝途徑的設(shè)計和模塊化組裝

和標準天然淀粉對比，人工合成的淀粉的結(jié)構(gòu)基本一致。無論是吸收峰，還是核磁共振信號，都佐證了這種合成和天然淀粉非常接近。下圖是合成的淀粉實物圖。

按照目前的技術(shù)參數(shù)，在能量供給充足的條件下，1 立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當于 5 畝土地的玉米淀粉年平均產(chǎn)量，為淀粉生產(chǎn)的車間制造替代農(nóng)業(yè)種植提供了一種可能。此外，根據(jù)報道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率約為2%（玉米），而工業(yè)合成效率可以達到10%以上。

難題在哪

1，合成實驗是酶化學(xué)，不是全化學(xué)合成。但酶既昂貴，反應(yīng)條件又異?？量?，反應(yīng)溫度調(diào)整一兩攝氏度結(jié)果懸殊。如果是全化學(xué)合成，或許可以通過加大投料、提高反應(yīng)溫度和反應(yīng)裝置壓力等方式提高反應(yīng)速率，但酶化學(xué)反應(yīng)變動幅度大。

2，反應(yīng)需要二氧化碳和氫氣。氫氣在當前很貴且存在儲運難度，大規(guī)模應(yīng)用的階段必須解決氫氣來源問題。

3，反應(yīng)所需的“能源充足”基本上是個偽命題。根據(jù)文章中1立方米反應(yīng)器相當于5畝玉米田淀粉產(chǎn)量的數(shù)據(jù)，能量消耗應(yīng)該不小。目前，用這項技術(shù)生產(chǎn)淀粉的總成本遠高于通過農(nóng)作物生產(chǎn)同樣多的淀粉。

總之，目前這一成果尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當長的距離。據(jù)介紹，科研人員正在針對工業(yè)化的問題進行攻關(guān)，比如解決酶的穩(wěn)定性、活力、成本等問題，探索多條技術(shù)路線等，預(yù)計未來5到10年能夠建立起工業(yè)化示范裝置。

但技術(shù)背后意味著什么？論文一作蔡韜解釋，這一成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開了一扇窗。有了人工工業(yè)合成淀粉的能力，糧食問題、耕地、生態(tài)以及氣候問題都可以得到很好地解決。

結(jié)尾

秋分已至，農(nóng)民豐收節(jié)在昨，我們不約而同地想起袁老，或許正是因為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生生不息和沉甸甸的豐收喜悅，我們未曾忘記那些凝視風雨和土地的人。在今天，我們對馬老師團隊同樣報以敬佩，對科技的生命力投以抱負，首先認同的就是這一代大國工匠的堅韌品質(zhì)，以及在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)換擋升級中穿云破霧的思想力量。

“后續(xù)，研究團隊還需要盡快實現(xiàn)從0到1的概念突破到1到10和10到100的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。"中科院副院長周琪表示，中科院將集成相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項研究深入推進。