【新知】二氧化碳人工合成淀粉，未來不用種地了嗎？

近期，中科院天津工業生物技術研究所在淀粉人工合成方面取得突破性進展，在國際上首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關成果于9月24日在線發表在國際學術期刊《科學》上。

這項相關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轉變成為可能，并為二氧化碳原料合成復雜分子提供了新的技術路線。專家認為，這是一項顛覆式的創新，未來有望解決糧食問題。

焦點1：二氧化碳人工變淀粉，如何實現的？

淀粉是具有重要營養價值的主要碳水化合物。農作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉化為淀粉。但是，在玉米等農作物中，將二氧化碳轉變為淀粉涉及超過60步的生物化學反應和復雜的生理調控，太陽能的利用效率不超過2%。

從能量角度看，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。如何更高效地將光能轉變為化學能?

據中科院官網信息顯示，科研人員想到了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，首先通過光伏發電將光能轉變為電能，通過光伏電水解產生氫氣，然后通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉化為甲醇中儲存的化學能，該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。

甲醇儲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。科研人員利用合成生物學的思想，從海量的生物化學反應數據中設計出了甲醇到淀粉的人工路線ASAP(Artificial Starch Anabolic Pathway)。

為將設計藍圖變為現實，科研人員挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑，最終優中選優，使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮，進一步轉化為六碳的磷酸葡萄糖，最后轉化為淀粉。

焦點2：合成的淀粉和自然淀粉一樣嗎？這種合成有何優勢？

“我們通過了科學上的金標準，就是核磁檢測。拿我們合成的直鏈淀粉和支鏈淀粉與自然界中的進行比對，得到的核磁結果一模一樣。”中科院天津工業生物所副研究員蔡韜說，合成的淀粉實際上和自然淀粉沒有區別。

據悉，傳統淀粉依賴提取，產物多為大分子支鏈淀粉。ASAP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。

中科院科研人員創制的利用二氧化碳和電能合成淀粉的人工路線，僅涉及11步生化反應，淀粉的生產效率是玉米光合作用的8倍以上。整個過程可在一個生物反應器中進行，1立方米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。

焦點3：為何要擺脫植物進行二氧化碳固定？

當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等一系列重大挑戰。二氧化碳的轉化利用與糧食淀粉工業合成，正是應對挑戰的重大科技問題之一。

隨著地球人口數量規模急劇擴張，可用耕地面積萎縮，糧食安全、溫飽問題越發突出。種植獲得富含淀粉的食物，可以滿足人類對淀粉的需求，但受自然天氣和耕種影響較大。新的成果可以擺脫耕地和自然環境限制，使淀粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。

傳統種植獲取淀粉會使用大量的氮磷鉀肥、農藥等，長時間使用容易造成土壤理化性質惡化，作物果實品質降低，對人類健康產生影響。此次研究成果提出的淀粉制備方法，避免使用農藥等，所獲得的產品更加健康。

蔡韜在接受《科技日報》記者采訪時表示，擺脫植物進行二氧化碳固定是科學家多年來的夢想，二氧化碳人工生物轉化方面是國際上研究的熱點和難點。

過去幾年，僅在《細胞》《自然》《科學》上發表的相關論文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美國國家航空航天局(NASA)提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰計劃，但是目前淀粉的從頭人工合成還沒有實現突破。中科院天津工業生物技術研究所在國際上首次做到了從二氧化碳到淀粉的全合成，這種人工合成淀粉的方式展現了超越自然淀粉合成方式的極大潛力。

焦點4：這項人工合成淀粉技術有何意義？

中國農業大學食品科學與營養工程學院副教授朱毅稱，這項研究成果不依賴植物、細菌的光合作用，設計了人工系統固定二氧化碳合成淀粉，轉變了原本的思維方式，優化了既有的合成步驟。“這不是跟隨式的發明，而是顛覆式的創新，它讓我們看到，無限可以利用的能源就是無限的糧食。”她認為，現在研究還處于實驗室階段，未來合成淀粉可能優先代替工業淀粉。

中國農業大學食品科學與營養工程學院教授羅云波稱，這個研究成果是生物科學和化學科學結合的了不起成就，前景一定是很美妙的，未來有望解決糧食問題。

據悉，如果未來該系統過程成本能夠降低，與農業種植相比具有經濟可行性，將可能節約90%以上的耕地和淡水資源。另外，ASAP的成功構建，為推進我國碳達峰和碳中和目標奠定關鍵技術基礎。

焦點5：這項研究何時能走向應用？

“現在在實驗室，我們有了一點樣品，但還沒有做應用。”論文通訊作者、中國科學院天津工業生物技術研究所所長馬延和在接受媒體采訪時表示。

中國科學院副院長、中國科學院院士周琪稱，該成果目前尚處于實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，后續還需要盡快實現從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換。【責任編輯/古飛燕】

新京報記者 張璐

來源：新京報

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