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

在努力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的當下，人工合成淀粉讓人們產生了無盡美好的想象，“喝西北風”將來可能不再是一句笑話了。人工合成淀粉為何能引起關注，它離現(xiàn)實有多遠?《科技周刊》記者特邀江蘇生物及食品領域專家進行解讀。

自然到人工，“0”到“1”的突破

由中科院天津工業(yè)生物技術研究所主導完成的人工合成淀粉重大科技突破進展成果論文，于北京時間9月24日凌晨在著名國際學術期刊《科學》上線發(fā)表，這為從二氧化碳到淀粉生產的工業(yè)車間制造“打開了一扇窗”。

科研團隊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，按照目前技術參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量，相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產量。

“傳統(tǒng)的淀粉合成都是在植物細胞內進行的，但人工合成淀粉實現(xiàn)了淀粉的無細胞高效合成。”江南大學產業(yè)技術研究院院長，江南大學生物工程學院教授、博士生導師劉龍告訴記者，目前工業(yè)生產淀粉的原料主要來自于玉米等農作物。在農作物中，自然光合作用的淀粉合成與積累涉及60多步生化反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率只有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，通過類似生產啤酒發(fā)酵一樣的過程，在生產車間中制造出來，這將對未來的農業(yè)生產特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物制造產業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義，是一項具有“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，農作物的種植通常需要較長周期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農藥等農業(yè)生產資料。一旦人工合成淀粉的效率高于植物淀粉的合成，則可以減少農作物的種植面積，實現(xiàn)退耕還林，避免農藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，推動形成可持續(xù)的生物基社會，提高人類糧食安全水平。并且，人工合成淀粉相對于植物合成淀粉生產過程可控性更強，不易受到環(huán)境變化影響，產量更穩(wěn)定，這為糧食淀粉可持續(xù)供給提供了技術支持。

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

從陽光到甲醇，再到淀粉

那么人工合成淀粉究竟如何實現(xiàn)?中科院天津工業(yè)生物研究所副所長王欽宏在接受采訪時介紹，這是一個從陽光到甲醇再到淀粉的過程。首先，通過光伏發(fā)電將光能轉變?yōu)殡娔?，通以光伏電水解產生氫氣;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。

劉龍介紹，中科院天津工業(yè)生物所科研團隊采用一種類似“搭積木”的方式，設計了一條從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(jù)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(yōu)化，將碳三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)?？蒲袌F隊從頭設計出11步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(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雜調控障礙。

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，需要人工設計和定向進化，提高酶的催化效率和解除抑制效果。

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、微生物等31個不同物種的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表示，人工合成的淀粉實際與自然的淀粉并沒有區(qū)別。在核磁共振的檢測下，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果是一模一樣的。

盡管人工合成淀粉的實驗已經成功，其理論產率也高于傳統(tǒng)合成方式，但目前還處于實驗室階段，實際產量尚未達到工業(yè)化合成的水平，還需實現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到N”的轉換。如何優(yōu)化人工合成淀粉的能量利用效率和合成速率，如何降低成本實現(xiàn)工業(yè)化生產是科研團隊今后要攻克的目標。

合成生物學應用前景廣闊

人工合成淀粉的背后，是國內外合成生物學近年來的突飛猛進。

合成生物學也被稱為“工程生物學”，旨在闡明并模擬生物合成的基本規(guī)律，設計并構建新的、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。合成生物學是生命科學在21世紀新的分支學科，打開了從非生命的化學物質向人造生命轉化的大門，為探索生命起源與進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領域成果不斷。來自西交利物浦大學生物科學系的大學生通過將基礎的基因模塊植入細胞體內，構造出一個復雜的生物系統(tǒng)，為腸道內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菌，一旦侵染腸道，便會造成嚴重腹瀉甚至死亡。而抗生素的濫用導致很多此屬細菌已對多種類型的抗生素產生抗藥性，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系統(tǒng)的影響下，近距離分泌出具有極強殺傷作用的抗菌肽，來殺死金黃色葡萄球菌。” 西交利物浦大學生物科學系學生龔依靜介紹說，“此外我們還利用邏輯門對整個生物回路進行有效的調控，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，調節(jié)微生態(tài)平衡。”

作為科學界的新生力量，合成生物學進展迅速，并已在化工、能源、材料、農業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境和健康等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。據(jù)介紹，合成生物學的主要研究內容分為三個層次：一是利用現(xiàn)有的天然生物模塊構建新的調控網(wǎng)絡并表現(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，合成生物學能利用大腸桿菌生產大宗化工材料，擺脫石油原料的束縛;利用酵母菌生產青蒿酸和稀有人參皂苷，降低成本，促進新藥研發(fā);工程菌不“誤傷”正常細胞，專一攻擊癌細胞;創(chuàng)制載有人工基因組的“人造細胞”，探究生命進化之路;利用DNA儲存數(shù)據(jù)信息并開發(fā)生物計算機等等。

合成生物學的發(fā)展離不開科研人員的創(chuàng)新，任何一項科學技術從實驗室到工業(yè)的轉化，都需要時間和積累?？茖W上的偉大突破未必一定會在應用上取得成功，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業(yè)化落地，科學家都為人類找到了一條嶄新之路。(記者 張宣 王拓 實習生 王鯤鵬)

關鍵詞： 人工合成淀粉 植物制造 二氧化碳 淀粉