最近，中国科学院天津工业生物技术研究所科研团队首次在实验室实现了以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉。这不仅是中国科学界的一大步，也是人类科技史上里程碑式的颠覆性突破，对未来解决粮食危机、应对气候变化乃至加速人类文明的整体发展进程都具有非凡意义。
文｜北京 秦易
图：视觉中国
无需植物和土地，不再倚赖自然的光合作用，而是像在生产车间酿造啤酒那样把淀粉源源不断地制造出来——这是天方夜谭吗？中国科学家告诉你，这是现实；以二氧化碳和电解过后的氢气为原料，就能合成淀粉！
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所的科研团队在人工合成淀粉方面取得重大技术突破。在实验室里，他们在国际上首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。北京时间9月24日凌晨，该项研究成果在线发表于国际权威学术期刊《科学》杂志。这一“无中生有”技术，不光是中国科学界的一大步，也是人类科技史上里程碑式的颠覆性突破，对未来解决粮食危机、应对气候变化乃至加速人类文明的整体发展进程都具有非凡意义。
9月23日，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员在发布会上向媒体介绍人工合成淀粉研究成果（图：新华社）
“从无到有”开辟淀粉生成新路
淀粉属于高分子碳水化合物，是由单一类型的糖单元组成的多糖，因此它的合成机制是一个复杂的过程。经过大自然上亿年的造物演化，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生成。光合作用，即绿色植物吸收太阳的光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。
但“自然造物”存在一定的局限性。农作物吸收二氧化碳后，需在适宜的温度、光照、生长周期等多种因素的复杂调控下，经过约60步代谢反应和细胞组件间运输，才能最终完成光合作用、实现淀粉的合成与积累。自然光合作用只能利用低能量密度的太阳能，理论上能量转化效率不超过2%。并且农作物的种植通常需要较长周期，同时还需投入大量的土地、淡水、肥料等资源。
光合作用是地球生态圈最重要的能量循环机制之一，可以说人类的食物都是大自然光合作用的馈赠。截至目前，持续了一万多年的农业种植，仍是生产淀粉的唯一途径。那么除了植物的光合作用外，还有没有效率更高地利用二氧化碳和光能来生产淀粉的方式呢？
人工合成淀粉研究就是要“从无到有”开辟一条新的道路。经过6年的探索攻关，中科院科研团队从近7,000个生化反应中设计创制出了一条颠覆性的淀粉制备方法——ASAP路线（Artificial Starch Anabolic Pathway）。从能量角度看，植物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。中科院团队从这一过程中汲取灵感，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，让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，把电能转化为甲醇中储存的化学能，再进一步通过酶的催化反应把甲醇合成为淀粉。
理想很振奋，但现实中面临诸多挑战。由于淀粉的天然合成路径是经过长期自然选择进化而成，其中的各个酶之间都能够很好地适配协作，可人工设计的反应路径却未必如此。为了解决酶的适配问题，科研人员利用合成生物学的思想，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，最终优中选优挑选出10个酶，再以一种类似“搭积木”的方式逐步把一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，再转化为六碳的磷酸葡萄糖，最终聚合成直链和支链淀粉。
这是世界上人类第一次在实验室里实现了从二氧化碳合成淀粉的整个过程，不仅克服了化学和生物协同催化的障碍，跨越了生化反应能量传递的鸿沟，而且显著提升了淀粉合成的速度与效率！与自然界合成淀粉共约60步反应相比，中国科学家创制的ASAP路线仅需要11步核心反应，明显降低了合成的复杂度。且整个过程的能量转化效率可达10%，远超光合作用的能量利用率，让高效固定二氧化碳、高效合成淀粉成为现实。
图：视觉中国
打开人类发展困局的“金钥匙”
从三餐果腹的米面粮食，到随处可见的纸张、棉纺、洗护化妆品、药品胶囊壳，处处皆是淀粉的身影。从几千年前农耕文明发祥，到近百年间工业文明的革新，淀粉不仅为满足人类生存提供了全球80%以上的热量，而且已经成为重要的工业原料，可制成约3万多种产品。
从古至今，淀粉之于人类的生存与文明的进步举足轻重。但正如前文所述，淀粉的生成主要倚赖植物光合作用，投入多、产量低，人们只能依靠春耕夏耘、秋收冬藏。其弊端就是很可能出现粮食生产不均、供不应求的局面。由多家联合国机构联合撰写的《2021年世界粮食安全和营养状况》报告估计，2020年全世界有7.2-8.11亿人口面临饥饿，有近23.7亿人无法获得充足的食物。全球粮食安全引发关注，危机不容小觑。
此外，淡水、耕地资源本就有限，加之过度使用化肥导致的土地和水源污染，以及工业化背景下大量排放的二氧化碳等温室气体，又在进一步加剧地球的负荷，造成更深层次的资源短缺、环境污染、气候变化，令解决粮食问题难上加难。
从遗传杂交育种到分子设计育种，世界各国一直在努力推进农业生物技术从而提高粮食产量。那么有没有可能换一种思路？好比与其苦思怎样提升一辆车的性能，不如乾脆再造一款新车？在国际相关科学领域，这个想法由来已久。如果淀粉能够实现人工合成，不仅效率高，对环境污染少，对能源需求较少，而且还可以大量吸收二氧化碳、减少温室气体的排放，是打开当前和未来人类发展困局“一举多得”的“金钥匙”。
在此背景下，粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用顺势成为当今世界科技创新的战略方向。摆脱植物进行二氧化碳固定，设计人工生物系统不依赖植物种植进行淀粉制造，是世界各国科学家多年来的梦想，也是国际上研究的热点和难点。
2015年，美国加州大学伯克利分校杨培东团队构建出了一套“人工光合作用”系统，通过纳米线和细菌组成的系统，模拟自然界的光合作用，把二氧化碳和水转变成碳水化合物。2016年，德国马普研究所报道了第七条人工设计的固碳途径，二氧化碳转化速率是自然卡尔文固碳循环的两倍。2018年，美国国家航空航天局（NASA）更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑战计划。2020年，以色列和澳大利亚科学家通过人工定向进化首次实现异养大肠杆菌和酵母固定二氧化碳进行自养生长（异养是只利用有机化合物生成，自养是直接用固定二氧化碳生长）。纵览全球，人工合成淀粉的国际科技竞争可谓白热化。但是在中国ASAP路线提出之前，二氧化碳到淀粉的从头人工合成还从未有过突破。
2015年，在中国科学院重点部署项目和天津市财政专项的支持下，中科院天津工业生物技术研究所组建起了一支当时平均年龄30周岁的优秀青年科学家团队，正式向人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用这一事关国家长远和全局的科技战略制高点发起“进攻”。
2018年7月24日，人工合成淀粉在中科院天津工业生物技术研究所的实验室里诞生了！从外观上看，它跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉无异，白色的粉末状物质溶解后遇碘会变蓝。经过核磁共振检测，人工合成淀粉与自然界中淀粉的分子结构组成对比结果一致。这意味著，无论是分子成分还是理化性质，人工合成淀粉与自然生产的淀粉是一模一样的。
这是人类从认识自然，向学习自然、超越自然迈进的一大步！
距产业化应用还有相当长距离
8月30日，中科院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品（图：中新社）
9月16日，在中科院天津工业生物技术研究所实验室，孙红兵科研助理在整理实验日记（图：新华社）
仅把淀粉合成出来并不是科学家探究的终点！此后的两年多时间内，中科院团队持续优化实验成果，最终将淀粉的合成效率比最初提高了100多倍。按照目前技术参数推算，这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。在充足能量供给的条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。
对此，《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为，该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线。美国工程院院士延斯，尼尔森表示，这项研究的整合和应用将有助于解决人类未来面临的重大挑战。中科院院士赵国屏赞叹，这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果。中国工程院院士陈坚认为，这项工作是典型的“0到1”的原创性成果，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。
人工合成淀粉研究的初衷，是希望推动传统农业模式下非常慢的、大面积种植的淀粉生产方式向高效化、集中化的工业车间生产模式转变。如今实验已经成功，离工业化生产还有多远呢？
任何一项基础研究走到实际应用的道路都是漫长的。就人工合成淀粉的产业化挑战而言，一方面，在工程生物学基础理论和工程设计方面仍有许多问题有待攻克，比如要做好各种酶的分离纯化、要让酶在细胞外保持活性、要应对每一步合成过程后酶的活力下降等等；另一方面，从控制过程成本初步计算，只有淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植的成本竞争。
中科院副院长、党组成员，中科院院士周琪指出，人工合成淀粉的成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从“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。
经科技部批准，目前中科院天津工业生物技术研究所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。除了继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题之外，他们还要推动成果走向产业应用，让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植，预计未来5到10年可建立起工业化示范装置。届时，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，就能够在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。
人工合成淀粉尽管距离实际应用还需时日，但其之于世界发展的潜力远景却令人饱含期待和想像。
解决温饱问题未来不用再“靠天吃饭”。粮食生产可以摆脱耕地和自然环境资源的限制，只要能建造淀粉生产工厂，高山峡谷、沙漠冰原这些没有种植作物条件的地方都可以用来产粮。
温室气体逐渐减少，生态环境逐步改善。从源头来看，淀粉生产工业化后，化肥农药的生产减少，对土地水源的污染减少，生产化肥形成的碳排放量也随之减少。从末端看，二氧化碳被工厂大口大口吸入生产淀粉，且土地退耕还林后又可进一步降低大气中二氧化碳的浓度。
淀粉食品口感更丰富，营养又健康。传统淀粉多为大分子支链淀粉，而经人工合成的淀粉避免使用农药，而且结构可控，比如所合成的直链淀粉具有机体消耗慢的特点，可帮助维持血糖平稳，合成的小分子淀粉则具有较好的起泡特性。
总而言之，根据科学团队估算，如果未来该人工合成淀粉系统的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，促进碳中和，提高人类粮食安全水平，推动形成经济社会可持续的高质量发展。
（作者系中科院研究员）
本文发表于《紫荆》杂志2021年11月号
编辑：赵 欣
监制：连振海
