中国科学家首次在实验室实现人工合成淀粉

河北省承德市鹰城一中 高 鹏

想必同学们都听说过“喝西北风”这个成语吧，意思是说，没有东西吃，空着肚子只能喝着冬天寒冷的风度日。但是以后如果有人再让你“去喝西北风吧”，你可能就不用再担心了，原因是，近日中国科学院天津工业生物技术研究所（简称“中科院天津工业生物所”）马延和团队在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——人类首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

人工合成淀粉的原理是啥？

我们知道，自然界中的绿色植物可以通过光合作用实现由二氧化碳向淀粉的转化，而对于在实验室通过二氧化碳合成淀粉这个貌似天方夜谭的问题，中科院天津工业生物所的科学家历时6 年多科研攻关终于给出了肯定和详细的答案。光合作用是绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物，主要是淀粉，并且释放出氧气的过程。那么，在实验室通过二氧化碳合成淀粉的原理又是怎样的呢？

从能量转化的角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能，而人工合成淀粉的过程中，能量也不会“无中生有”，同样还要遵循这样的转换规律。中科院天津工业生物所科学家团队选择的是“光能→电能→化学能”的转换方式。从物质转化的角度看，中科院天津工业生物所科学家团队从头设计出11 步核心的生化反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成：采用一种类似“搭积木”的方式，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成碳一（C1）化合物；然后通过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，将碳三（C3）化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。

该团队还通过耦合化学催化与生物催化模块体系，创新高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物工程技术，通过反应时空分离优化，解决了人工途径中的底物（即参与生物酶催化反应的物质，经过酶的催化变成另一种或多种物质）竞争、产物抑制、热动力学匹配等问题，扩展了人工光合作用的能力。

人工合成淀粉的创新点在哪？

淀粉，平凡、常见又不可或缺。自然界的淀粉由农作物通过光合作用将太阳光能、二氧化碳和水转化而成，但这是一个复杂的过程，要经历60 多个步骤的生化反应及生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右，效率较低。那么，听起来充满“科幻感”的不依赖植物光合作用高效合成淀粉，究竟是怎么做到的呢？

据研究人员介绍：“首先，光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电分解水产生氢气；然后，通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率。”

下一步是将甲醇转化为淀粉，自然界中并不存在这样的生命过程。对人工合成而言，关键是要制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物的31 个不同物种的62 种生物酶催化剂，最终优中选优，选了10 种酶逐步将甲醇转化为淀粉。这种路径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。

中科院天津工业生物所从2015 年开始聚焦该领域的研究，如今获得突破后，国际知名专家都给出了一致赞誉，认为这一重大突破将该领域研究向前推进了一大步，不仅对未来农业生产特别是粮食生产具有革命性影响，而且对全球生物制造产业发展也有里程碑意义。

人工合成淀粉有什么重大意义？

按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，理论上1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5 亩土地玉米种植的淀粉产量（按我国玉米淀粉平均亩产量计算）。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式的转变成为可能，并为用二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。专家预计，如果未来这种人工合成淀粉的成本能够降低到可与农业种植相比，将能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。

据联合国2020 年7 月发布的《世界粮食安全和营养状况》显示：全球近6.9 亿人处于饥饿状态。如果趋势持续，世界饥饿人口数量到2030 年将超过8.4 亿，占全球总人口的9.8%。粮食安全深刻地关系到国家安全，是世界上任何一个国家都丝毫不能掉以轻心的头等大事。因此，多国科学家一直在探索人工合成淀粉，但之前未取得实质性重要突破。核磁共振等检测发现：中国科学家团队这次人工合成的淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。如果能实现人工合成淀粉的大规模生产，将是造福数亿人的巨大贡献。

人工合成淀粉继上世纪60 年代我国在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，又一次创造了历史。这项有“顶天立地”重大意义的科研成果是中国科学家的学术精神、家国情怀创造的奇迹，也为国家的长治久安和人民的安居乐业提供了技术保障。当然，人工合成淀粉这一路径已经打通，但要真正实现工业化还有相当长的距离，还面临着许多挑战。我们期待它真正成为解决人类发展面临的重大问题和需求的有效手段和工具，也为人类走向星辰大海奠定坚实的基础！