“脫離光合作用、植物和土壤，中國(guó)科學(xué)家以二氧化碳為原料直接人工合成了淀粉……”近日，中國(guó)科學(xué)院召開新聞發(fā)布會(huì)介紹了這一科研成果，論文也在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

在努力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的當(dāng)下，人工合成淀粉讓人們產(chǎn)生了無盡美好的想象，“喝西北風(fēng)”將來可能不再是一句笑話了。人工合成淀粉為何能引起關(guān)注，它離現(xiàn)實(shí)有多遠(yuǎn)?《科技周刊》記者特邀江蘇生物及食品領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行解讀。

自然到人工，“0”到“1”的突破

由中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所主導(dǎo)完成的人工合成淀粉重大科技突破進(jìn)展成果論文，于北京時(shí)間9月24日凌晨在著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表，這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”。

科研團(tuán)隊(duì)最新突破的淀粉人工合成不僅步驟更少，而且還具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率與合成速度。該人工途徑從太陽能到淀粉的理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米的8.5倍，突破了自然光合固碳系統(tǒng)利用太陽能的局限。在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，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畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

“傳統(tǒng)的淀粉合成都是在植物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，但人工合成淀粉實(shí)現(xiàn)了淀粉的無細(xì)胞高效合成。”江南大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)，江南大學(xué)生物工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師劉龍告訴記者，目前工業(yè)生產(chǎn)淀粉的原料主要來自于玉米等農(nóng)作物。在農(nóng)作物中，自然光合作用的淀粉合成與積累涉及60多步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，理論能量轉(zhuǎn)化效率只有2%左右，而人工合成淀粉的路徑只需要11步。

可以想象，到時(shí)我們所需的淀粉可以利用空氣中的二氧化碳作為原料，通過類似生產(chǎn)啤酒發(fā)酵一樣的過程，在生產(chǎn)車間中制造出來，這將對(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，是一項(xiàng)具有“頂天立地”重大意義的科研成果，是典型的“0”到“1”的原創(chuàng)性突破。

劉龍表示，人工合成淀粉意義重大。首先，農(nóng)作物的種植通常需要較長(zhǎng)周期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。一旦人工合成淀粉的效率高于植物淀粉的合成，則可以減少農(nóng)作物的種植面積，實(shí)現(xiàn)退耕還林，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì)，提高人類糧食安全水平。并且，人工合成淀粉相對(duì)于植物合成淀粉生產(chǎn)過程可控性更強(qiáng)，不易受到環(huán)境變化影響，產(chǎn)量更穩(wěn)定，這為糧食淀粉可持續(xù)供給提供了技術(shù)支持。

此外，人工合成淀粉可以實(shí)現(xiàn)利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的化學(xué)-生物法聯(lián)合的人工淀粉合成途徑(ASAP)，這為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線提供一種新思路;同時(shí)，類似火星等星球大氣中存在著大量的CO2，人工合成淀粉技術(shù)讓未來外星糧食的生產(chǎn)成為了可能。

從陽光到甲醇，再到淀粉

那么人工合成淀粉究竟如何實(shí)現(xiàn)?中科院天津工業(yè)生物研究所副所長(zhǎng)王欽宏在接受采訪時(shí)介紹，這是一個(gè)從陽光到甲醇再到淀粉的過程。首先，通過光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通以光伏電水解產(chǎn)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(zhuǎn)化為甲醇中儲(chǔ)存的化學(xué)能。這個(gè)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。

劉龍介紹，中科院天津工業(yè)生物所科研團(tuán)隊(duì)采用一種類似“搭積木”的方式，設(shè)計(jì)了一條從C1(一碳化合物)到Cn(多碳化合物)的新路徑。他們利用化學(xué)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(shè)計(jì)構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)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(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物，再進(jìn)一步合成直鏈和支鏈淀粉(Cn化合物)。科研團(tuán)隊(duì)從頭設(shè)計(jì)出11步反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，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，突破了自然界淀粉合成的復(fù)雜調(diào)控障礙。

劉龍表示，這種類似于搭積木的過程，是將不同模塊間彼此匹配的子類型組裝在一起，夠最終構(gòu)建出人工淀粉的合成途徑。然而模塊中所涉及的催化酶，由于催化效率較低，反饋抑制，需要人工設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化，提高酶的催化效率和解除抑制效果。

甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉，自然界中并不存在這樣的生命過程。對(duì)人工合成而言，關(guān)鍵是要制造出自然界中原本不存在的酶催化劑。科研人員挖掘和改造了來自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62種生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，選了共10種酶將甲醇逐步轉(zhuǎn)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。

此外，人工合成出的淀粉和我們常見的淀粉組成并無不同。中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜在接受采訪時(shí)表示，人工合成的淀粉實(shí)際與自然的淀粉并沒有區(qū)別。在核磁共振的檢測(cè)下，人工合成的直鏈與支鏈淀粉和自然界中的直鏈與支鏈淀粉得到核磁的結(jié)果是一模一樣的。

盡管人工合成淀粉的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功，其理論產(chǎn)率也高于傳統(tǒng)合成方式，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際產(chǎn)量尚未達(dá)到工業(yè)化合成的水平，還需實(shí)現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到N”的轉(zhuǎn)換。如何優(yōu)化人工合成淀粉的能量利用效率和合成速率，如何降低成本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)是科研團(tuán)隊(duì)今后要攻克的目標(biāo)。

合成生物學(xué)應(yīng)用前景廣闊

人工合成淀粉的背后，是國(guó)內(nèi)外合成生物學(xué)近年來的突飛猛進(jìn)。

合成生物學(xué)也被稱為“工程生物學(xué)”，旨在闡明并模擬生物合成的基本規(guī)律，設(shè)計(jì)并構(gòu)建新的、具有特定生理功能的生物系統(tǒng)，從而建立藥物、功能材料、能源替代品等的生物制造途徑。合成生物學(xué)是生命科學(xué)在21世紀(jì)新的分支學(xué)科，打開了從非生命的化學(xué)物質(zhì)向人造生命轉(zhuǎn)化的大門，為探索生命起源與進(jìn)化開辟了嶄新的途徑。

近年來，江蘇高校和科研院所在合成生物學(xué)領(lǐng)域成果不斷。來自西交利物浦大學(xué)生物科學(xué)系的大學(xué)生通過將基礎(chǔ)的基因模塊植入細(xì)胞體內(nèi)，構(gòu)造出一個(gè)復(fù)雜的生物系統(tǒng)，為腸道內(nèi)金黃色葡萄球菌的感染提供了新的治療方法。

據(jù)了解，金黃色葡萄球菌屬于毒性極高的細(xì)菌，一旦侵染腸道，便會(huì)造成嚴(yán)重腹瀉甚至死亡。而抗生素的濫用導(dǎo)致很多此屬細(xì)菌已對(duì)多種類型的抗生素產(chǎn)生抗藥性，因此金黃色葡萄球菌感染是目前臨床治療上一個(gè)尚待解決的難題。

“我們的想法是通過基因改造乳酸乳球菌，使之在金黃色葡萄球菌特有的群體感應(yīng)系統(tǒng)的影響下，近距離分泌出具有極強(qiáng)殺傷作用的抗菌肽，來殺死金黃色葡萄球菌。” 西交利物浦大學(xué)生物科學(xué)系學(xué)生龔依靜介紹說，“此外我們還利用邏輯門對(duì)整個(gè)生物回路進(jìn)行有效的調(diào)控，這樣既能治愈金黃色葡萄球菌感染，又能使益生菌棲居腸道，調(diào)節(jié)微生態(tài)平衡。”

作為科學(xué)界的新生力量，合成生物學(xué)進(jìn)展迅速，并已在化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境和健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)介紹，合成生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容分為三個(gè)層次：一是利用現(xiàn)有的天然生物模塊構(gòu)建新的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并表現(xiàn)出新功能;二是采用從頭合成方法人工合成基因組DNA;三是人工創(chuàng)建全新的生物系統(tǒng)乃至生命體。舉例來看，合成生物學(xué)能利用大腸桿菌生產(chǎn)大宗化工材料，擺脫石油原料的束縛;利用酵母菌生產(chǎn)青蒿酸和稀有人參皂苷，降低成本，促進(jìn)新藥研發(fā);工程菌不“誤傷”正常細(xì)胞，專一攻擊癌細(xì)胞;創(chuàng)制載有人工基因組的“人造細(xì)胞”，探究生命進(jìn)化之路;利用DNA儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息并開發(fā)生物計(jì)算機(jī)等等。

合成生物學(xué)的發(fā)展離不開科研人員的創(chuàng)新，任何一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)的轉(zhuǎn)化，都需要時(shí)間和積累?？茖W(xué)上的偉大突破未必一定會(huì)在應(yīng)用上取得成功，但都讓人類向著真理更近了一步。未來，無論人工合成淀粉能否產(chǎn)業(yè)化落地，科學(xué)家都為人類找到了一條嶄新之路。(記者 張宣 王拓 實(shí)習(xí)生 王鯤鵬)

關(guān)鍵詞： 人工合成淀粉 植物制造 二氧化碳 淀粉