淀粉是人类最基本和最重要的食物，也是重要的工业原料。传统淀粉的生产主要靠玉米等农作物通过光合作用，将二氧化碳等无机化合物合成为淀粉，需要漫长的生长周期，涉及60余步生化反应，对土地、水、肥料、日照等资源都有要求，能量的转化率也不高，而人工淀粉合成一直是一个未被攻破的难题。

 

中国科学院天津工业生物技术研究所和中国科学院大连化学物理研究所的科学家们合作，探索出一条「无中生有」的技术路线，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉分子的全合成。

 

相关研究成果以「Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide」为题发表于9月24日国际学术期刊《Science》上，中科院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬担任共同第一作者，马延和为通讯作者。

 

以工业生产中排放的高浓度二氧化碳作为原料，使用高密度电/氢能和化学催化剂将二氧化碳还原为甲醇。再通过设计构筑一种全新的重组酶，利用酶的催化将甲醇聚合为碳三化合物，进一步聚合成碳六化合物，最终组装成直链/支链淀粉，合成了与天然淀粉成分完全相同的人工淀粉。

 

蔡韬在实验室展示人工合成淀粉样品 | 图源：新华社

 

在实验室中，这一合成路径能以22纳摩尔每分每毫克的速率将二氧化碳转化为淀粉，是自然环境中玉米通过光合作用合成淀粉的速率的8.5倍，能量效率是玉米的3.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，1立方米大小的生物反应器年产淀粉量能可与我国5亩玉米地相当。

 

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。

 

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。

 

相关问题解答引援自中国科普博览对研究团队，中国科学院天津工业生物技术研究所的孙红兵、蔡韬、王钦宏三位老师的采访。

 

1.以后都不用种地了吗？

 

不是的。首先，目前的研究成果还处于实验室阶段，其次，后期考虑先替代工业淀粉。

 

2. 这项研究厉害在哪儿？

 

自然界的淀粉合成需要60多步复杂的反应和精细的调控，目前，这条人工合成路径只需要11步！能让我们未来能够像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉。

 

这是一项中国科学家做出的原创性重大突破，由中科院天津工业生物所科研团队联合大连化学物理研究所完成。这里需要特别注意的是，科学家们并不是将60多步删删减减，就得到11步，而是重新设计出了一条路。

 

他们首先从很多种生物的生物化学反应中，计算出了一条极简路径，但是这个路径是计算出来的，实际操作中各个步骤之间不太兼容，比如所需要的反应条件不太一样。科学家们又通过模块化思维，选择不同的反应过程，才摸索出了这条11步的反应路径。然后，科学家们又通过蛋白质生物工程改造手段和反应时空分离，提高反应效率和速度。就是现在大家看到的这个人工合成方法啦！

 

3.和天然合成的淀粉相比，味道如何？

 

这……也不舍得品尝啊！！

 

 

不过，现在的方法已经可以实现直链淀粉和支链淀粉的可控合成了！

 

4. 关于能耗和成本

 

不少人关心能耗问题，目前研究处于实验室阶段，生产全程的能耗还没有准确计算，但是工业化之前这个问题大家一定能得到答案，一步步来。

还有不少人问成本，同样的原因～再次强调，研究目前还处于实验室阶段，别的不说，就说酶，酶有多贵如果不知道的话可以问一下学生物的朋友……这也是大规模工业化之前必须解决的问题，一步步来。

 

5.接下来还会做什么？

 

虽然现在的结果非常振奋人心，但是理论上，这一方法的能量利用效率和合成速率比现在的结果更高，科学家们还将继续优化这一过程，冲击更高的反应效率和速度！

 

6.有没有可能“换道超车”？

 

其实人工合成淀粉的想法由来已久，即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献。

 

合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统,不依赖植物种植进行淀粉制造，潜藏着惊人的变革前景。的确这条路线存在很多的不确定性，科学问题复杂，技术路线不清、瓶颈问题难测，但是，科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区。

 

国家要求我们，敢于走前人没走过的路，努力实现关键核心技术自主可控，把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。我们科技工作者要有强烈的国家使命感，面向国家重大战略需求，在科技工作中做出重大创新贡献是我们的责任担当。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点。

 

学习植物，利用科学，我们解决了两个问题

 

从二氧化碳到淀粉，也就是从C1（碳一化合物）到Cn（多碳化合物）的过程，并不容易。

自然界中，玉米等农作物中淀粉的合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，但是理论能量转化效率仅为2%左右。

 

7.人工合成淀粉的路，怎么走得又快又好？

 

首先，我们设计了一条从C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路径。

 

针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太阳能（10 w/m2）、生长周期长（3-4个月）、天然淀粉合成途径长（大约60个步骤）、催化效率低（需要关键酶RuBisco）等关键问题，科研人员耦合化学催化与生物催化技术，充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势，从头设计和构建了从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。

 

受天然光合作用的启发，科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上，进一步开发了高效的化学催化剂，把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物（也就是C1），完成了光能——电能——化学能的转化，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（2%），也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础。

 

第二，我们用“搭积木”的思维解决了适配性问题。

 

人工合成淀粉的最大挑战在于，天然淀粉合成途径是通过数亿年的自然选择进化而成，各个酶都能够很好地适配协作，而人工设计的反应途径却未必如此完美。

 

为了解决酶的适配问题，基于每个模块终产物的碳原子数量，科研人员采用“模块化”——“搭积木”的思路，将整条途径拆分为四个模块，分别命名为C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模块。每个模块的原料和产物都是确定的，但是可以有多种反应过程，科研人员要做的，就是到四个模块最佳的组合方式。

 

科研人员在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后，对各模块进行不断地测试、组装与调整，最终成功创建了1.0版途径，实现了人工淀粉的实验室合成，该途径包含了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂。

 

在此基础上，科研人员采用蛋白质工程改造手段，对1.0版途径中的三个关键限速步骤进行了改造，解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题，得到2.0版途径。

 

在2.0版途径中，生物酶催化剂的用量减少为1.0版本用量的50%左右，淀粉的产率提高了13倍。

 

进一步地，与二氧化碳通过化学法还原生成甲醇的反应偶联，构建出包括一个化学反应单元和一个多酶反应单元的3.0版本，通过反应时空分离优化，解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题，建立了生化级联反应系统，淀粉的产率又提高了10倍，并可实现直链淀粉与支链淀粉的可控合成。

 

可以说，该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要组织细胞间转运的复杂过程简化为还原-转化-聚合反应过程，目前，根据数据推算，使用人工合成方法，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

 

认识自然，学习自然，超越自然

 

按照目前的技术参数推算，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亩土地玉米种植的淀粉年平均产量，这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。

 

工业车间制造淀粉一旦成功，与农业种植相比，将有机会节省超过90%的土地和淡水资源，而且可以消除化肥和农药对环境的负面影响，这对提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展具有十分重大的意义。

 

可以想象，到时我们所需的淀粉，可以利用空气中的二氧化碳作为原料，通过类似生产啤酒发酵一样的过程，在生产车间中制造出来，这将对未来的农业生产、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，是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果，是典型的“0”到“1”的原创性突破。

 

事件意义（宏观意义）

 

目前国内经常谈起的“碳中和/碳达峰”，本质来说就是环节并解决全球变暖这一问题，人工合成淀粉是解决这一难题的新希望。

 

 

先不说什么尾气排放、工业生产带来的碳排放有多大，大家每天也看得见摸得着。2019 年巴西境内的那场亚马逊雨林大火。大火之前的20年里，整个亚马逊雨林每年为地球减少17亿吨的二氧化碳排放量，然而单是因为 2019 年的那场大火，亚马逊雨林就已经排放了超过36亿吨二氧化碳。

 

 

这36亿吨，放到2018 年就是全球碳排放总和的十分之一。并且因为二氧化碳的过度排放，在过去 100 年里，全球气温已经上升了0.85 摄氏度，海平面上升了 1.5 米。

 

专家预测，如果二氧化碳排放量再不加以控制，到了2500 年，仅南极冰川融化就能使海平面上升 15 米。所以各个国家为了减排，真的是费尽心力，什么碳奖励、碳收集、碳固化，连大家在蚂蚁森林的沙漠里种的一棵棵沙棘树也是为了减少碳排放。

 

如果能把二氧化碳成功的转换成淀粉成功工业化，“ 一拍即合 ”，无疑是一件利于全球生态治理的好事。

 

事件意义（对生物基塑料行业意义）

 

目前可以规模化生产的生物基塑料主要是聚乳酸（PLA）。PLA的原料是乳酸，而乳酸的原料目前主要来自玉米，市场上曾有人担忧发展降解塑料会对粮食安全造成威胁。假设2025年国内PLA的产量达到400万吨，按照2.5-3吨的玉米单耗来看，需要消耗1200万吨的玉米，约占目前国内玉米产量的3-4.6%。

 

虽然，乳酸的来源不止玉米，还有甘薯、甜菜、甘蔗渣、秸秆以及其他生物质的农业副产品，短时间内不会对粮食安全造成危害，但是二氧化碳人工合成淀粉技术有望替代低成本秸秆制糖技术，增加原料供应，为生物质生物可降解塑料行业健康提供保障。