二氧化碳人工合成淀粉，減碳路上一小步

羅錚

淀粉人工合成從0到1

人類的生活離不開淀粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服等等，作為糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料，淀粉幾乎涉及人們生活的方方面面。如此重要的高分子碳水化合物，人類能否找到一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的獲取方式？

傳統(tǒng)淀粉制造模式基于卡爾文循環(huán)，依靠光能作為能量來(lái)源，通過(guò)大面積種植獲得富含淀粉的食物，滿足人類對(duì)淀粉的需求，該淀粉制造模式受自然天氣和耕種影響較大。

通過(guò)模擬和設(shè)計(jì)自然過(guò)程，采用化學(xué)—生物法，用二氧化碳和氫氣為原料生產(chǎn)淀粉，與傳統(tǒng)淀粉制備方法相比，具有生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)，該方法有助于擺脫耕地和自然環(huán)境限制，解決糧食危機(jī)。

研究員在實(shí)驗(yàn)室展示人工合成淀粉樣品

早在數(shù)年前，中國(guó)科學(xué)家已產(chǎn)生若干個(gè)大膽的科學(xué)設(shè)想：如果人類不靠種地，是否也可以獲得淀粉;如果占空氣0.031%的二氧化碳能“變成”淀粉，人類還用擔(dān)心全球變暖嗎;如果人類不再靠天吃飯，糧食由土地種植轉(zhuǎn)向工廠制造，糧食危機(jī)還存在嗎？如果這一系列的“如果”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那么世界將如何被科學(xué)改變？

這些頗具科幻色彩的設(shè)想，如今在科學(xué)家的不懈探索下有望變成現(xiàn)實(shí)。前不久，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱天津工業(yè)生物所）研究團(tuán)隊(duì)在人工合成淀粉方面取得重大突破性進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的合成。

這一成果論文在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，《科學(xué)》是全世界最權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊之一，論文上線日期為2021年9月24日。這被認(rèn)為是“從0到1”的原創(chuàng)性成果，突破了生化反應(yīng)進(jìn)化瓶頸，向設(shè)計(jì)生命邁進(jìn)了一大步，為設(shè)計(jì)組裝新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

在這篇題為《 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide 》的研究論文中，首次介紹了由二氧化碳到淀粉的完整合成技術(shù)。不僅如此，“雙碳”目標(biāo)大背景下，該技術(shù)未來(lái)還有望促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)。

采用一種類似“搭積木”的方式，天津工業(yè)生物所研究員馬延和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

據(jù)介紹，該技術(shù)不依賴植物光合作用，不需大面積種地、施肥和農(nóng)作物加工，經(jīng)優(yōu)化，原料只需二氧化碳、氫氣和電，便能生成淀粉。而且在充足能量供給條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)，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)于我國(guó)5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。

利用二氧化碳生成淀粉，圖片來(lái)源： 天津工業(yè)生物技術(shù)研究所

“無(wú)中生有”的技術(shù)能擔(dān)重任嗎？

地球人口數(shù)量規(guī)模在急劇擴(kuò)張，可用耕地面積萎縮，糧食安全、溫飽問(wèn)題越發(fā)突出，盡管我國(guó)劃出18億畝耕地紅線，但是受環(huán)境變化、人口活動(dòng)范圍擠占優(yōu)質(zhì)耕種資源影響，糧食安全并不樂(lè)觀。同時(shí)，隨著國(guó)民溫飽問(wèn)題逐步解決，如何吃得綠色、健康、安全是下一步需要迫切解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)種植獲取淀粉勢(shì)必會(huì)使用大量的氮磷鉀肥、農(nóng)藥等，長(zhǎng)時(shí)間容易造成土壤理化性質(zhì)惡化，作物果實(shí)品質(zhì)降低，對(duì)人類健康產(chǎn)生影響，本研究成果提出的淀粉制備方法，避免使用農(nóng)藥等，所獲得產(chǎn)品更為健康。

普通情況下，淀粉主要由綠色植物通過(guò)光合作用固定二氧化碳進(jìn)行合成。在農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸鄣膹?fù)雜過(guò)程中，太陽(yáng)能的理論利用效率不超過(guò)2%，且農(nóng)作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，需大量土地、淡水、肥料等資源。因此，新的淀粉制備方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化利用，無(wú)疑是多重利好。

對(duì)于這項(xiàng)二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)的詳細(xì)介紹及解讀，在9月23日，中科院就此召開了新聞發(fā)布會(huì)。會(huì)上，中科院副院長(zhǎng)周琪表示，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)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重大科技問(wèn)題之一。

而團(tuán)隊(duì)的整體設(shè)計(jì)思路是，將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來(lái)作為原料，將低密度太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高密度電或氫能作為能源，形成簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔铮缓笤O(shè)計(jì)出從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣蛇^(guò)程。

這項(xiàng)研究成果，也獲得了中外同行專家的認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。

《科學(xué)》評(píng)審專家表示，“該項(xiàng)工作是一項(xiàng)里程碑式突破，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來(lái)變革性影響。”美國(guó)工程院院士、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授延斯·尼爾森稱，利用不同種類的酶組成的重組酶系統(tǒng)，將二氧化碳化學(xué)催化產(chǎn)生的甲醇成功轉(zhuǎn)化為淀粉，是一個(gè)現(xiàn)代催化化學(xué)與合成生物學(xué)相結(jié)合的精彩案例。

中國(guó)工程院院士、南京工業(yè)大學(xué)原校長(zhǎng)歐陽(yáng)平凱也認(rèn)為，該研究對(duì)中國(guó)、對(duì)世界解決二氧化碳生成淀粉這個(gè)人類基本的食品和原料的問(wèn)題以及“碳中和”工作，都有很重要的意義。

不過(guò)，上述展望的實(shí)現(xiàn)，仍要建立在一定條件的基礎(chǔ)上。舉例來(lái)說(shuō)，首先該轉(zhuǎn)化過(guò)程的成本需進(jìn)一步降低，與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，才有可能節(jié)約耕地和淡水資源，同時(shí)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，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。