人工合成淀粉：由0到1的突破

Aestheticism

杜甫诗曰：“香稻三秋末，平田百顷间”，苏东坡吟诗“鸟程霜稻袭人香”，袁枚亦写下“粥饭本也，余茶末也”。从三位诗人才华横溢的诗歌中足见我国从古至今对碳水的喜爱与不可分割。
丰收季节一望无际的稻田，其金黄的色彩带给我们震撼与富足的感觉。但由于我国庞大的人口和所拥有的有限的耕地，吃饱喝足的目标通过了无数的努力和实验才得以实现。
假设有一天，我们能够摆脱耕地与时空的限制，脱离植物和生产资料的束缚，自由自在地制造食物，那该是一副怎样美好的光景。
如今，梦想的光已经照进了现实，我国科学家在历时6年多的科研攻关之后，在这条道路上迈出了坚实又伟大的一步：用二氧化碳合成淀粉。
或许，在不久的将来，合成淀粉就能进入我们的生活，人类在面对粮食危机和气候变化等重大挑战时也能更加从容，更加有序。

图1. 光合作用

阳光到淀粉，一个从0到1的突破

人工合成淀粉，是我国科学家继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，在合成生物学领域取得的又一次重大颠覆性、原则性突破。
如何摆脱植物合成淀粉。这是自合成生物学诞生以来一直困扰人们的难题。人们尝试人工构建非自然的途径，以实现二氧化碳到淀粉的转化，突破植物媒介光合作用理论上仅有2%的能量转化效率的瓶颈。但都因技术路线不清、瓶颈问题难测等原因而没能成功。
我国科研人员寻找了一条由阳光到甲醇再到淀粉的人工过程。首先通过光伏发电将光能转变为电能，通以光伏电水解产生氢气，之后让二氧化碳和所产生的氢气在催化剂的作用下生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能。在这个过程中，能量转化效率超过10%，远远超过了光合作用的能量利用效率。
这个研究的主导团队——中国科学院天津工业生物所研究团队采用了一种“搭积木”的方式，探索并设计了一条从C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路径，将不同模块间彼此匹配的子类型组装在一起，最终实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。他们利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原生成碳一（C1）化合物，然后设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通过生物途径优化，实现碳三化合物到碳六（C6）化合物的合成，最后合成为直链和支链淀粉（Cn化合物）。
这个由科研人员从头设计的11步反应的非自然二氧化碳固定和人工合成淀粉的新途径，不仅比农作物中自然光合作用的60多步生化反应和复杂生理调控更快，同时还大大提升了能量转化效率，突破了自然界淀粉合成的复杂调控障碍。

图2. 利用CO2人工合成淀粉

自然到人工，人工合成淀粉的优越性

中国科学院院士邓子新表示：“合成生物学实际就是把产品生产的基因搞清楚以后，‘劝说’某种微生物成长为某一种自然界内并不产生的化合物，使得它具有比天然化合物更优良的效应。”
先了解合成的反应，再创造出更好的路径获得更优良的产品，人工合成淀粉的道路便是如此走出来的。
在合成淀粉的过程中，出现了自然界所不存在的生命过程——甲醛转化为淀粉。要想通过这条道路获得人工合成的成功，其关键就在于制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。因此科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62种生物酶催化剂，经过不断的选拔与择优，选了共10种酶将甲醇逐步转化为淀粉。通过这种路径，科研人员不仅能合成易消化的支链淀粉，还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。
人工合成出的淀粉与自然的淀粉并无不同，但是却拥有着更少的步骤，更高的能量转化效率与合成速度。该人工途径从太阳能到淀粉的理论能量转化效率是玉米的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统利用太阳能的局限。
其优越性还不仅如此，掌握这项技术，可以在小的空间中合成制造更多的淀粉。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数推算，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亩土地玉米种植的平均年产量。

图3. ASAP中瓶颈问题的解决

人工合成淀粉摆脱了传统农作物种植需要较长周期，使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料的限制。江南大学产业技术研究院院长，江南大学生物工程学院教授、博士生导师刘龙表示，一旦人工合成淀粉的效率高于植物淀粉的合成，则可以减少农作物的种植面积，实现退耕还林，避免农药、化肥等对环境的负面影响，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平。
除此之外，人工合成淀粉相较于植物合成淀粉，具有更强的可控性，不易受到环境变化影响，拥有更稳定的产量，为粮食淀粉的可持续供给提供了技术支持。
在我国极力推进“碳达峰”和“碳中和”的路线之时，人工合成淀粉所实现的利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径（ASAP），无疑为推进路线提供了一项新技术，提供了一种新思路。向未来畅想，这项技术让人类在火星等星球大气中存在大量二氧化碳的星球上，有了外星粮食生产的可能。

图4. 通过ASAP从CO2合成淀粉

实验室到工厂，充满挑战的漫漫长路

尽管在实验室中人工合成淀粉取得了重大成就，但是距离工厂大规模生产，还有漫漫长路需要前进。
人工合成淀粉的成功，无疑是一项“0到1”的突破，但是将这个概念突破到“1到10”，这个转换依旧需要巨大的努力。
如中国科学院合成生物学重点实验室主任覃重军教授所介绍的：“这种成果从实验室走进工厂的距离是惊人的，人工合成淀粉知识初步把路径走通了，但还要考虑到成本核算的问题，目前看，成本降到能和自然PK还很难，这可能需要穷尽科学家一生去努力。”
“用一个1立方米的罐子生产淀粉”是一个如今还无法实现，但未来可期的愿景，要将人工合成淀粉的理论突破到实际运用，还需要不断地积累技术，改进技术，不断完善和发展。例如人工合成淀粉中最重要的酶，如何做好各种酶的分离纯化，如何让酶在细胞外保持活性，如何应对合成中难以避免的酶活力下降......这些问题要在细胞外得到解决还需要不断地钻研。不仅如此，人工合成淀粉所需成本之高，也是阻碍工业化的一个难题。
中国科学院天津工业生物技术研究所所长、研究员马延和说到：“现在人工合成淀粉的成本还非常高，未来在工业化阶段需要解决过程成本和能量效率问题，大幅降低生产成本，然后让其成本和农业种植相竞争，这样我们才可以实现工业化。”
马延和还表示，我们人工合成淀粉只是在一条非自然的途径组建上获得了成功，离真正工业化依旧有着较大差距，还需要做非常多的基础研究工作，逐个攻破技术问题，未来的工作量依旧巨大。

图5. 正在介绍人工合成淀粉的马延和

结语：

人工合成淀粉的成功，让我们不禁畅想，在这项技术工业化运用后，未来生产淀粉的工业化车间能够按需定制生产，变革传统农业种植获取的生产方式。
或许，正如科研团队所希望的：未来，利用可再生资源生产的电能，实现从温室气体二氧化碳再利用到粮食核心成分淀粉合成的跨越式发展。“有电就有粮”的生活，也许会在科研人员们的努力下，一步步走进现实。
科研人员的创新与刻苦，推动着社会以及技术不断发展，科学上的伟大突破未必一定会在应用上取得成功，但都会推动着人类朝着真理的方向更近一步。未来，不论人工合成淀粉能否落地，科学家都为人类找到了一条不断前行的崭新的道路。

参考文献：
[1] 武威 《人工合成淀粉背后 从实验室走向工厂还有漫漫征途》 中国食品工业 2021,(19)
[2] 张宣、王拓、王鲲鹏 《人工合成淀粉速率是植物制造8.5倍》 新华日报 地方级 2021-10-13
[3] 科技舆情分析研究所 《人工合成淀粉:未来不用种地了吗?》 今日科技 2021,(10)
[4] 《国际重大颠覆性突破 中国首次在实验室实现人工合成淀粉》 粮油与饲料科技 2021,(05)
[5] 林落 《人工合成淀粉工业化生产任重道远》 科学新闻 2022,24(01)

作者&图文编辑：张垒
本文为天津大学《科学技术史》课程作业
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