《Science》刊登中科院最新突破，用二氧化碳合成澱粉，網友已開始安排諾貝爾獎

大資料文摘出品

有人說，人類的歷史就是一部糧食史。

這裡所說的糧食，指的是各種主食，無論是水稻、麥，還是土豆、玉米等，這些包含了大量澱粉的植物是人類賴以生存的能量來源。

我們在高中生物課上都學過，植物能產生澱粉靠的是光合作用。

光合作用讓植物可以透過二氧化碳和水就生成有機物和氧氣，但是植物需要陽光和葉綠體和細胞生物才能完成這樣的轉換。

這種對自然條件的依賴性使得人類數千年以前主要的食物來源都是靠大規模種植各種農作物來實現，這個過程最短也需要幾個月，期間還要受到自然環境的影響。

這種不確定性讓科學家從很久之前就開始探索人工合成澱粉來替代植物生成，但是多國科學家的積極探索卻一直未取得實質性重要突破。

9月24日，《科學》線上發表了一篇論文，該論文來自中國科學院天津工業生物技術研究所研究員馬延和團隊，論文介紹了他們採用一種類似“搭積木”的方式，從頭設計、構建了11步反應的非自然固碳與澱粉合成途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到澱粉分子的全合成。

這是人類首次以二氧化碳為原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成澱粉。

這項研究如此‘科幻’以至於科幻作品也很少做這樣的想象，畢竟在已經建設火星基地的未來，馬特·達蒙還需要再火星上種土豆才能活下去。

論文連結：

https：//www。science。org/doi/10。1126/science。abh4049

人工合成路徑只需要11步！能像工業發酵生產啤酒一樣生產澱粉

該研究一經問世，便在網上激起了討論熱潮。

知乎上《

我國科學家突破二氧化碳人工合成澱粉技術，這一突破對當下及未來會產生哪些影響？

》的話題一度登上熱榜，‘中國科普博覽’也請來了研究團隊中的中國科學院天津工業生物技術研究所的孫紅兵、蔡韜、王欽宏來親自為網友解答。

提到這項研究的厲害之處，團隊表示，“自然界的澱粉合成需要60多步複雜的反應和精細的調控，目前，這條人工合成路徑只需要11步！能讓我們未來能夠像工業發酵生產啤酒一樣生產澱粉。”

並且，這11步並不只是將自然界的60多步刪刪減減得到11步，而是重新設計出了一條路。

首先從很多種生物的生物化學反應中，計算出了一條極簡路徑，但是這個路徑是計算出來的，實際操作中各個步驟之間不太相容，比如所需要的反應條件不太一樣。科學家們又透過模組化思維，選擇不同的反應過程，才摸索出了這條11步的反應路徑。

然後，研究人員又透過蛋白質生物工程改造手段和反應時空分離，提高反應效率和速度。

馬延和介紹，此次研究設計、組裝出一種自然界不存在的合成代謝途徑，並使其工作效率大幅高於自然生物過程，跨越了自然途徑數億年的進化。這一突破，為澱粉的車間生產開啟一扇視窗，併為二氧化碳原料合成複雜分子開闢了新的技術路線。

四個模組搭積木，尋找最好的反應路徑

簡單來說，這項技術可以分為四個模組，首先把二氧化碳用無機催化劑還原為甲醇，然後將還原的甲醇轉換成為三碳，然後是將三碳合成六碳，最後再將六碳聚合成為澱粉。

這四個模組被研究人員分別命名為C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模組。

儘管每個模組的原料和產物都是確定的，但是可以反應過程卻有很多可能，科研人員利用‘搭積木’的思路對每一步進行嘗試以尋找四個模組最佳的組合方式。

據科研人員向‘中國科普博覽’介紹，

在解決了熱力學不匹配、動力學陷阱等問題後，對各模組進行不斷地測試、組裝與調整，最終成功建立了1。0版途徑，實現了人工澱粉的實驗室合成，該途徑包含了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑。

在此基礎上，科研人員採用蛋白質工程改造手段，對1。0版途徑中的三個關鍵限速步驟進行了改造，解決了途徑中的限速酶活性低、輔因子抑制、ATP競爭等難題，得到2。0版途徑。

在2。0版途徑中，生物酶催化劑的用量減少為1。0版本用量的50%左右，澱粉的產率提高了13倍。

人工合成澱粉的效率約為傳統農業生產澱粉的8。5倍

實驗室初步測試結果顯示，人工合成澱粉的效率約為傳統農業生產澱粉的8。5倍。

這意味著，在充足能量供給的條件下，按照目前技術引數，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於我國5畝玉米地的年產澱粉量。

對於這項成果，德國科學院院士曼弗雷德･雷茲、美國工程院院士延斯⋅尼爾森等國際知名專家均給予高度評價，認為這一重大突破將該領域研究向前推進了一大步。

那麼，這離大家心中期待的‘澱粉工廠’還有多遠呢？

研究人員也表示，這行技術目前還停留在實驗室階段，只完成了‘0到1’的過程，剩下‘1到10’的過程還在努力中，研究人員表示，

不少人關心能耗問題，目前研究處於實驗室階段，生產全程的能耗還沒有準確計算，但是工業化之前這個問題大家一定能得到答案，一步步來。

首先是催化所用的各種酶，其成本目前非常高昂，在這時在大規模工業化之前必須解決的問題，其次是第一步二氧化碳加氫氣合成C1的過程需要大量氫氣，目前氫氣的生產和運輸成本都不低，這也是未來需要解決的一大問題，另外還有反應所需的能量來源問題。

儘管前路坎坷，但是研究人員依舊看好合成生物學的前景，他們表示，“

其實人工合成澱粉的想法由來已久，即使是替代一部分糧食澱粉作為工業原料、甚至飼料，也是對緩解農業壓力的巨大貢獻。

”

相比之下，網友們則更加激動，已經在考慮諾貝爾獎了