設(shè)想一下，不需要種地，也不需要綠色植物，以太陽光、水和二氧化碳為原料，在工廠里就可以像植物一樣源源不斷生產(chǎn)出淀粉。是不是很神奇？而今，這看似遙不可及的一幕，在不久的將來，有望實(shí)現(xiàn)。

　　近期，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所傳來喜訊：經(jīng)過6年技術(shù)攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

　　不依賴植物光合作用，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳，合成淀粉，這一被國際學(xué)術(shù)界認(rèn)為將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)，究竟有何厲害之處？其突破，又有何科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義？記者就此采訪了論文的作者及相關(guān)專家。

　　突破瓶頸

　　中國人偏重碳水飲食，清代美食家袁枚曾在《隨園食單》中這樣寫道，“粥飯本也，余菜末也”，足見國人對(duì)碳水的寵愛。這里所說的碳水即碳水化合物，由碳、氫、氧組成，是人類生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物，它是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，是養(yǎng)活全球人口最重要的食物原料，同時(shí)也是重要的工業(yè)原料。

　　多少年來，農(nóng)作物通過光合作用，將水、二氧化碳等無機(jī)化合物合成可作為動(dòng)物飼料和人類食物的糖類乃至淀粉等碳水化合物，是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)過程。但這是效率最高的淀粉生產(chǎn)方式嗎？答案是否定的。

　　根據(jù)論文通訊作者、天津工業(yè)生物所所長馬延和提供的數(shù)據(jù)，在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸?，涉及約60步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的利用效率不足2%。“植物經(jīng)過億萬年進(jìn)化，適應(yīng)了自然環(huán)境，其固有屬性制約了淀粉高效合成?！瘪R延和稱。

　　有沒有一種辦法能夠擺脫植物來合成淀粉？自合成生物學(xué)誕生以來，人們就開始嘗試人工構(gòu)建非自然途徑，實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的轉(zhuǎn)化，以突破植物媒介光合作用的瓶頸。但是，因?yàn)榧夹g(shù)路線不清、瓶頸問題難測，這條科研之路存在很多不確定性。

　　馬延和等人還是決定勇闖“無人區(qū)”。2015年起，天津工業(yè)生物所在中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和天津市財(cái)政專項(xiàng)的支持下，立項(xiàng)開展二氧化碳合成淀粉的研究。

　　6年鏖戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)終于如愿以償。論文第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜興奮地說：“我們拿合成淀粉與自然界中的淀粉比較，得到核磁結(jié)果是一模一樣的，可以說，合成淀粉實(shí)際上與自然的淀粉是沒有區(qū)別的?！?/p>

　　這意味著什么？數(shù)據(jù)顯示，2019年，全世界有近7.5億人面臨重度糧食不安全，占世界總?cè)丝诮种??！凹词故翘娲徊糠旨Z食淀粉作為工業(yè)原料甚至飼料，也是對(duì)緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)?！瘪R延和表示。

　　技術(shù)路徑

　　用二氧化碳人工合成淀粉，這項(xiàng)顛覆性技術(shù)是如何煉成的？馬延和告訴記者，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(chǔ)藏在淀粉中的化學(xué)能。

　　可如何更高效地將光能轉(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(chǔ)存的化學(xué)能，該過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率。

　　甲醇儲(chǔ)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(jì)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(jì)藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，科研人員還挖掘與改造了來自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62個(gè)生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個(gè)酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進(jìn)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。

　　“這是實(shí)現(xiàn)人工光合作用合成淀粉的一種過程?！瘪R延和說，從科學(xué)突破角度看，這一人工途徑的淀粉合成，向設(shè)計(jì)自然、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)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)。

　　從技術(shù)創(chuàng)新角度看，通過發(fā)展高效的人工催化劑和生物酶，研究團(tuán)隊(duì)從6568個(gè)生化反應(yīng)中設(shè)計(jì)形成固碳與人工合成淀粉新途徑。按照20%的光電轉(zhuǎn)化效率計(jì)算，這條化學(xué)、生物雜合的人工合成淀粉新系統(tǒng)，理論能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)7%，其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。

　　這意味著什么？蔡韜解釋，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量（按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計(jì)算），“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”。

　　應(yīng)用前景

　　在江南大學(xué)原校長、中國工程院院士陳堅(jiān)看來，食品生產(chǎn)大約占據(jù)全球40%的耕地，產(chǎn)生了25%的溫室氣體，作為最主要的糧食成分之一，淀粉的可持續(xù)供應(yīng)是人類未來面臨的重要挑戰(zhàn)。這項(xiàng)研究成果將化學(xué)與生物的方法相結(jié)合，采用蛋白質(zhì)工程和合成生物學(xué)等一系列新技術(shù)，從二氧化碳直接合成淀粉，完全顛覆了傳統(tǒng)的淀粉生產(chǎn)方式。這項(xiàng)研究工作是典型的從“0到1”的原創(chuàng)性成果，不僅對(duì)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(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。

　　馬延和表示，如果未來該系統(tǒng)過程成本與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，并實(shí)際應(yīng)用，將有可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平。

　　不過，他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，目前該成果尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離，且面臨諸多挑戰(zhàn)。

　　“后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的轉(zhuǎn)換，讓這項(xiàng)技術(shù)最終成為解決人類發(fā)展問題的有效手段和工具?！敝锌圃焊痹洪L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(xiàng)研究深入推進(jìn)。

　　“當(dāng)今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑全球格局、創(chuàng)造人類美好未來的關(guān)鍵因素。二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與人工合成淀粉，正是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重大科技問題之一?！敝茜髡f。