中國科學家首次在實驗室實現人工合成淀粉

河北省承德市鷹城一中 高 鵬

想必同學們都聽說過“喝西北風”這個成語吧，意思是說，沒有東西吃，空著肚子只能喝著冬天寒冷的風度日。但是以后如果有人再讓你“去喝西北風吧”，你可能就不用再擔心了，原因是，近日中國科學院天津工業生物技術研究所（簡稱“中科院天津工業生物所”）馬延和團隊在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創性突破——人類首次實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

人工合成淀粉的原理是啥？

我們知道，自然界中的綠色植物可以通過光合作用實現由二氧化碳向淀粉的轉化，而對于在實驗室通過二氧化碳合成淀粉這個貌似天方夜譚的問題，中科院天津工業生物所的科學家歷時6 年多科研攻關終于給出了肯定和詳細的答案。光合作用是綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉化成儲存能量的有機物，主要是淀粉，并且釋放出氧氣的過程。那么，在實驗室通過二氧化碳合成淀粉的原理又是怎樣的呢？

從能量轉化的角度看，光合作用的本質是將太陽光能轉化為淀粉中儲存的化學能，而人工合成淀粉的過程中，能量也不會“無中生有”，同樣還要遵循這樣的轉換規律。中科院天津工業生物所科學家團隊選擇的是“光能→電能→化學能”的轉換方式。從物質轉化的角度看，中科院天津工業生物所科學家團隊從頭設計出11 步核心的生化反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到淀粉分子的全合成：采用一種類似“搭積木”的方式，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物；然后通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物；最后通過生物途徑優化，將碳三（C3）化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）。

該團隊還通過耦合化學催化與生物催化模塊體系，創新高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物工程技術，通過反應時空分離優化，解決了人工途徑中的底物（即參與生物酶催化反應的物質，經過酶的催化變成另一種或多種物質）競爭、產物抑制、熱動力學匹配等問題，擴展了人工光合作用的能力。

人工合成淀粉的創新點在哪？

淀粉，平凡、常見又不可或缺。自然界的淀粉由農作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉化而成，但這是一個復雜的過程，要經歷60 多個步驟的生化反應及生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右，效率較低。那么，聽起來充滿“科幻感”的不依賴植物光合作用高效合成淀粉，究竟是怎么做到的呢？

據研究人員介紹：“首先，光伏發電將光能轉變為電能，通過光伏電分解水產生氫氣；然后，通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉化為甲醇中儲存的化學能。這個過程的能量轉化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率?！?/p>

下一步是將甲醇轉化為淀粉，自然界中并不存在這樣的生命過程。對人工合成而言，關鍵是要制造出自然界中原本不存在的酶催化劑?？蒲腥藛T挖掘和改造了來自動物、植物、微生物的31 個不同物種的62 種生物酶催化劑，最終優中選優，選了10 種酶逐步將甲醇轉化為淀粉。這種路徑不僅能合成易消化的支鏈淀粉，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉。

中科院天津工業生物所從2015 年開始聚焦該領域的研究，如今獲得突破后，國際知名專家都給出了一致贊譽，認為這一重大突破將該領域研究向前推進了一大步，不僅對未來農業生產特別是糧食生產具有革命性影響，而且對全球生物制造產業發展也有里程碑意義。

人工合成淀粉有什么重大意義？

按照目前的技術參數，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器年產淀粉量相當于5 畝土地玉米種植的淀粉產量（按我國玉米淀粉平均畝產量計算）。這一成果使淀粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式的轉變成為可能，并為用二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線。專家預計，如果未來這種人工合成淀粉的成本能夠降低到可與農業種植相比，將能節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展。

據聯合國2020 年7 月發布的《世界糧食安全和營養狀況》顯示：全球近6.9 億人處于饑餓狀態。如果趨勢持續，世界饑餓人口數量到2030 年將超過8.4 億，占全球總人口的9.8%。糧食安全深刻地關系到國家安全，是世界上任何一個國家都絲毫不能掉以輕心的頭等大事。因此，多國科學家一直在探索人工合成淀粉，但之前未取得實質性重要突破。核磁共振等檢測發現：中國科學家團隊這次人工合成的淀粉分子與天然淀粉分子的結構組成一致。如果能實現人工合成淀粉的大規模生產，將是造福數億人的巨大貢獻。

人工合成淀粉繼上世紀60 年代我國在世界上首次完成人工合成結晶牛胰島素之后，又一次創造了歷史。這項有“頂天立地”重大意義的科研成果是中國科學家的學術精神、家國情懷創造的奇跡，也為國家的長治久安和人民的安居樂業提供了技術保障。當然，人工合成淀粉這一路徑已經打通，但要真正實現工業化還有相當長的距離，還面臨著許多挑戰。我們期待它真正成為解決人類發展面臨的重大問題和需求的有效手段和工具，也為人類走向星辰大海奠定堅實的基礎！