9月24日，《科學(xué)》刊發(fā)中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱天津工業(yè)生物所）在淀粉人工合成方面取得的重大突破性進(jìn)展。該研究在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

淀粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料。中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士周琪表示，當(dāng)今世界正面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑世界格局、創(chuàng)造人類美好未來(lái)的關(guān)鍵因素。

二氧化碳轉(zhuǎn)化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重大科技問(wèn)題之一。

論文通訊作者，天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)、研究員馬延和介紹，天津工業(yè)生物所從頭設(shè)計(jì)了11步主反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與淀粉合成新途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

研究團(tuán)隊(duì)采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所，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化合物，然后通過(guò)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化合物，最后通過(guò)生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進(jìn)一步合成直鏈和支鏈淀粉。

這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)自然、超越自然的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

論文第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜介紹，如果未來(lái)該系統(tǒng)過(guò)程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，將會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì)。

國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜以u(píng)價(jià)認(rèn)為，該成果是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”，“擴(kuò)展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項(xiàng)具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”；“不僅對(duì)未來(lái)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”；“將給下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)變革性影響”。

該研究工作獲得了中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動(dòng)等項(xiàng)目前瞻性的資助和支持，是國(guó)家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心的重點(diǎn)研究方向。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abh4049

憑“空”造淀粉——五問(wèn)人工合成淀粉新成果

淀粉在日常生活中幾乎隨處可見(jiàn)，烹飪調(diào)味料、護(hù)膚化妝品、雜志封面紙、膠囊外殼、棉紗紡織……無(wú)一不用到淀粉。

近期，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱天津工業(yè)生物所）的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)6年探索，在實(shí)驗(yàn)室里首次實(shí)現(xiàn)了淀粉分子的人工合成。

這是國(guó)際上首次創(chuàng)建出電/氫能驅(qū)動(dòng)二氧化碳從頭合成淀粉的途徑，比自然路線反應(yīng)步數(shù)更少、淀粉合成速率更快。就與成果相關(guān)的一些問(wèn)題，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪了科研人員。

一問(wèn)：為什么要合成淀粉

淀粉并非稀缺資源。想得到淀粉，最簡(jiǎn)單的方法是直接從玉米、薯類等農(nóng)作物中提取。那么，科研人員為什么還要費(fèi)時(shí)費(fèi)力地合成淀粉？

“我們是想把非常慢的、大面積種植的農(nóng)業(yè)過(guò)程，變成高效的、集中化的工業(yè)過(guò)程?！闭撐牡谝蛔髡?、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“農(nóng)作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、需要大面積種植，而且用于提高產(chǎn)量的各種育種技術(shù)已進(jìn)入平臺(tái)期，如何更高效地生產(chǎn)淀粉成為一個(gè)巨大挑戰(zhàn)?！?br/>
長(zhǎng)久以來(lái)，為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量，科學(xué)家探索出了雜交育種、分子育種等各種遺傳育種方法。在遺傳育種將農(nóng)作物產(chǎn)量向極限提升的同時(shí)，生物合成技術(shù)也受到關(guān)注。

2015年，國(guó)際納米材料科學(xué)家楊培東構(gòu)建出了一套“人工光合作用”系統(tǒng)，通過(guò)納米線和細(xì)菌組成的系統(tǒng)，模擬自然界的光合作用，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成碳水化合物。

2018年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)起了名為“二氧化碳轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)賽”的“百年挑戰(zhàn)計(jì)劃”，希望能將火星上最充足的資源——二氧化碳，轉(zhuǎn)化成葡萄糖等有用的化合物，以滿足人類在火星上生存和生活所需。

從2015年開(kāi)始，天津工業(yè)生物所科研團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了人工合成淀粉項(xiàng)目?！爸赃x擇做淀粉的人工合成研究，是因?yàn)榈矸酆苤匾Ｋ寝r(nóng)耕文明的核心分子，提供了人類生存所需的熱量。”蔡韜說(shuō)。

“全球以淀粉為原料的產(chǎn)品大約有3萬(wàn)多種，我們?nèi)绾握业礁畠r(jià)、更大量的替代淀粉？這項(xiàng)研究已經(jīng)邁出了重要一步?！蔽磪⑴c此項(xiàng)研究工作的中國(guó)工程院院士岳國(guó)君評(píng)論說(shuō)。

二問(wèn)：淀粉是怎么被合成出來(lái)的

“我們的整體設(shè)計(jì)思路是將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來(lái)作為原料，將低密度太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高密度電/氫能作為能源，形成簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔?，然后設(shè)計(jì)出從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣蛇^(guò)程?！辈添w說(shuō)。

早在2015年，科研團(tuán)隊(duì)就確定了這一設(shè)計(jì)思路。此后6年里，在二氧化碳電/氫轉(zhuǎn)化甲醇技術(shù)基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)一直在摸索從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣陕窂健?br/>
“淀粉是一種復(fù)雜有機(jī)物，它的合成也是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，我們要將其變成一個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)程?！辈添w說(shuō)。

最初，他們?cè)趶亩趸嫉降矸鄣?568個(gè)生化反應(yīng)中，計(jì)算出了一條最短的合成途徑。這條途徑共有11步主反應(yīng)，大致是先做化學(xué)反應(yīng)——利用高密度電/氫能將二氧化碳還原為碳一化合物，再做生物反應(yīng)——將碳一化合物聚合為碳三化合物、碳六化合物（即葡萄糖）直至長(zhǎng)鏈淀粉分子。

但這只是一條理論的虛擬途徑，科研團(tuán)隊(duì)必須在現(xiàn)實(shí)中把這條路走通?！坝?jì)算出來(lái)的途徑中，很多酶的組合在現(xiàn)實(shí)中從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)?！辈添w說(shuō)，不同的酶“脾氣秉性”不同，它們組合在一起之后會(huì)產(chǎn)生一些不可控的問(wèn)題。

例如，生物合成的第一步是要從碳一化合物合成出碳三化合物，而此前國(guó)內(nèi)外的研究成果一直存在合成產(chǎn)物不可控的問(wèn)題，從碳一化合物可能會(huì)生成碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳?xì)浠衔铩?br/>
于是，他們從頭設(shè)計(jì)碳碳縮合酶新序列，創(chuàng)建出了非自然的碳碳縮合酶，以促成從碳一化合物到碳三化合物的聚合，最終成功實(shí)現(xiàn)了從甲醛到2—羥基丙酮的可控生化反應(yīng)。

與此同時(shí)，他們還進(jìn)一步改造來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等不同物種的生物酶催化劑，構(gòu)建從2—羥基丙酮到葡萄糖異生代謝、多糖聚合功能模塊，組裝復(fù)雜的生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系，通過(guò)蛋白別構(gòu)調(diào)控改造、反應(yīng)時(shí)空分離優(yōu)化，解決人工途徑中底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制、熱動(dòng)力學(xué)匹配等問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)各種優(yōu)化，科研團(tuán)隊(duì)成功將從二氧化碳到淀粉的合成途徑簡(jiǎn)化至11步，并實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控?！斑@就是我們最初的夢(mèng)想——憑空制造，隨心所欲?！闭撐耐ㄓ嵶髡撸旖蚬I(yè)生物所所長(zhǎng)、研究員馬延和說(shuō)。

三問(wèn)：人工合成淀粉跟自然淀粉一樣嗎

“如果把人工合成淀粉做成面條、粉絲，大概會(huì)像意大利面那樣勁道。”馬延和表示，自然淀粉是直鏈淀粉和支鏈淀粉混在一起，目前實(shí)驗(yàn)室里合成的主要是直鏈淀粉，合成的支鏈淀粉沒(méi)有自然淀粉中的支鏈淀粉那么復(fù)雜。

“在外觀上，人工合成淀粉跟從玉米、薯類等農(nóng)作物中提純出來(lái)的淀粉看起來(lái)是一樣的?！辈添w說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)人工合成產(chǎn)生的淀粉處于溶解狀態(tài)，“是比較稀的淀粉糊糊，干燥后會(huì)變成粉狀”。

科研人員對(duì)淀粉的基本判斷方法是在溶液中加碘液，直鏈淀粉遇碘呈藍(lán)色，支鏈淀粉遇碘呈紫紅色。此外，他們還專門(mén)對(duì)合成物進(jìn)行了理化分析?！巴ㄟ^(guò)核磁共振等檢測(cè)，它和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣?！辈添w說(shuō)。

四問(wèn)：有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)嗎

作為一項(xiàng)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的原創(chuàng)性突破，人工合成淀粉仍處在實(shí)驗(yàn)階段。那么，未來(lái)它是否有工業(yè)化生產(chǎn)的可能？對(duì)此，科研人員表示，有潛力也有挑戰(zhàn)。

“實(shí)驗(yàn)室里合成出淀粉大約需要4個(gè)小時(shí)。就人工合成淀粉的途徑來(lái)看，從太陽(yáng)能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”蔡韜說(shuō)。

他告訴記者，在實(shí)驗(yàn)室里，規(guī)模還比較小，平均1小時(shí)能合成出的淀粉只有幾克，但是按照目前的技術(shù)參數(shù)，在能量供給充足的條件下，1立方米的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉平均年產(chǎn)量，這為淀粉生產(chǎn)的車間制造提供了可能。

“如果人工合成淀粉示范可以達(dá)到理論能量轉(zhuǎn)換效率的80%，那么10度電大約可以合成1千克淀粉。”馬延和說(shuō)。

同時(shí)，蔡韜也直言，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很大挑戰(zhàn)。一方面，在工程生物學(xué)基礎(chǔ)理論和工程設(shè)計(jì)方面還有問(wèn)題要解決；另一方面，就經(jīng)濟(jì)性而言，從控制過(guò)程成本初步計(jì)算，只有二氧化碳到淀粉合成的電能利用效率再提高數(shù)倍，淀粉合成的碳素轉(zhuǎn)化速率再提高數(shù)十倍，才能與農(nóng)業(yè)種植競(jìng)爭(zhēng)。因此，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決諸多的科技難題。

五問(wèn)：接下來(lái)還要做什么

“我們做的是應(yīng)用導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，目前取得的只是階段性進(jìn)展，后面還面臨著很多難題?！辈添w表示，科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)邁出了第一步，即從理解細(xì)胞的基礎(chǔ)代謝原理到設(shè)計(jì)細(xì)胞外生物化學(xué)反應(yīng)途徑。

接下來(lái)，他們還要建立從二氧化碳到淀粉的可控網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)系統(tǒng)，并嘗試在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)淀粉的人工合成。

產(chǎn)業(yè)化也是他們努力的方向?！拔覀冇?jì)劃在未來(lái)5至10年內(nèi)，建立工業(yè)示范，以工業(yè)尾氣為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化碳高效還原，在生物反應(yīng)裝置中合成淀粉。”馬延和說(shuō)。

此外，蔡韜表示，目前研究團(tuán)隊(duì)規(guī)模尚小，希望與相關(guān)研究所、大學(xué)和企業(yè)等創(chuàng)新力量加強(qiáng)合作，推進(jìn)人工合成淀粉工程化進(jìn)程。

“中國(guó)科學(xué)院將集成相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項(xiàng)研究深入推進(jìn)?！敝袊?guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士周琪表示，后續(xù)研究團(tuán)隊(duì)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破，最終真正解決人類發(fā)展面臨的重大問(wèn)題。