厲害了我的國！西北風(fēng)真能喝飽了，中國首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳人工合成淀粉

時間：2021-09-27 來源： 作者：

你有沒有想過未來某一天，不需要土壤，不需要施肥，也不需要種子，只需要以太陽光、水和二氧化碳為原料，就能生產(chǎn)淀粉，為人類提供源源不斷的生存養(yǎng)料，沒有污染、沒有貧困和饑餓？

這種荒誕大膽的設(shè)定，恐怕只有科幻小說才敢這么書寫。然而這個看似可笑的想法，中國科學(xué)家歷時6年多科研攻關(guān)，已經(jīng)給出肯定和詳細(xì)的答案，真切的發(fā)生的實(shí)驗室里，在不久的將來，有望實(shí)現(xiàn)。

中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所蔡韜副研究員在實(shí)驗室展示人工合成淀粉樣品。　

中科院科技攝影聯(lián)盟 供圖

從0到1的突破

北京時間9月24日，由中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所主導(dǎo)完成的人工合成淀粉重大科技突破進(jìn)展成果論文，在著名國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表。這是繼上世紀(jì)60年代在世界上首次完成人工合成結(jié)晶牛胰島素之后，中國科學(xué)家又在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國際上首次在實(shí)驗室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

在中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗室，科研人員展示人工合成淀粉樣品（9月16日攝）。

圖片來源：新華社記者 金立旺攝

該研究所人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產(chǎn)生的氫氣為原料，直接合成淀粉。使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式像工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子提供了新技術(shù)路線。

人工合成淀粉的重大意義

淀粉是糧食種類中最主要的成分，比如面粉、大米、玉米等，是養(yǎng)活全球人口最重要的食物原料，同時也是重要的工業(yè)原料。通常由農(nóng)作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)。

自然界的淀粉合成與積累，涉及60余步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員馬延和帶領(lǐng)團(tuán)隊，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實(shí)驗室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

科研團(tuán)隊喬婧科研助理、蔡韜副研究員、馬延和研究員、朱蕾蕾研究員、孫紅兵科研助理（從左至右）在中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗室合影（9月16日攝）。圖片來源：新華社記者 金立旺 攝

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)。

業(yè)內(nèi)專家稱，如果未來二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過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，將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負(fù)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。同時，最新研究成果實(shí)現(xiàn)在無細(xì)胞系統(tǒng)中用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的化學(xué)-生物法聯(lián)合的人工淀粉合成途徑(ASAP)，為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線提供一種新思路。

人工合成淀粉應(yīng)用前景

該成果不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。

“如果把人工合成淀粉做成面條、粉絲，大概會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)驗室里合成的主要是直鏈淀粉，合成的支鏈淀粉沒有自然淀粉中的支鏈淀粉那么復(fù)雜。

自動化淀粉加工設(shè)備生產(chǎn)出的淀粉

論文第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜興奮地說：“我們拿合成淀粉與自然界中的淀粉比較，得到核磁結(jié)果是一模一樣的，可以說，合成淀粉實(shí)際上與自然的淀粉是沒有區(qū)別的。”蔡韜說，實(shí)驗室里通過人工合成產(chǎn)生的淀粉處于溶解狀態(tài)，“是比較稀的淀粉糊糊，干燥后會變成粉狀”。

這意味著什么？數(shù)據(jù)顯示，2019年，全世界有近7.5億人面臨重度糧食不安全，占世界總?cè)丝诮种弧?ldquo;即使是替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料甚至飼料，也是對緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)。”馬延和表示。

不過，這一成果目前尚處于實(shí)驗室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有距離。后續(xù)需盡快實(shí)現(xiàn)從“0到1”概念突破到“1到10”的轉(zhuǎn)換。

據(jù)了解，經(jīng)科技部批準(zhǔn)，天津工業(yè)生物所正在牽頭建設(shè)國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心。科研團(tuán)隊的下一步目標(biāo)，一方面是繼續(xù)攻克淀粉合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)控等底層科學(xué)難題，另一方面要推動成果走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，未來讓人工合成淀粉的經(jīng)濟(jì)可行性接近農(nóng)業(yè)種植。

文章及資料來源：新華社、中國科學(xué)報、中國新聞網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)日報、海外網(wǎng)