淀粉，在日常生活中幾乎隨處可見，它既是作糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料。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……無一不用到淀粉。近期，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱中科院天津工業(yè)生物所）的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過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。9月24日凌晨，成果在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。評(píng)審專家認(rèn)為“該工作是典型的0到1原創(chuàng)性突破”，“不僅對(duì)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(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義”。

　　對(duì)于與成果相關(guān)的一些問題，《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪了相關(guān)科研人員。

　　一問：他們?yōu)槭裁匆铣傻矸郏?/p>

　　淀粉并非稀缺資源。要想得到淀粉，最簡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)力地合成淀粉呢？

　　“我們是想把非常慢的、大面積種植的農(nóng)業(yè)過程，變成高效的、集中化的工業(yè)過程?！闭撐牡谝蛔髡?、中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“農(nóng)作物生長周期長，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)巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>

　　長久以來，為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量，更高效地從自然界中獲得有機(jī)物，科學(xué)家們探索出了雜交育種、分子育種等各種遺傳育種的辦法。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，美國國家航空航天局（NASA）還發(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年開始，中科院天津工業(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?，它是農(nóng)耕文明的核心分子，提供了人類生存所需的熱量?！辈添w說。

　　“全球以淀粉為原料的產(chǎn)品大約有3萬多種，我們?nèi)绾文苷业礁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)研究工作的中國工程院院士岳國君評(píng)論說。

　　二問：淀粉是怎么被合成出來的？

　　“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作為原料，將低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度電/氫能作為能源，形成簡單的碳?xì)浠衔?，然后再設(shè)計(jì)出從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣蛇^程。”蔡韜說。

　　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)一直摸索的就是從碳?xì)浠衔锏降矸鄣纳锖铣陕窂健?/p>

　　“淀粉是一種復(fù)雜有機(jī)物，它的合成也是一個(gè)復(fù)雜的過程，我們要把它簡化變成一個(gè)簡單的過程?！辈添w說。

　　最初，他們在從二氧化碳到淀粉的6568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)算出來的途徑中，很多酶的組合在現(xiàn)實(shí)中是從來都沒有出現(xiàn)過的?！辈添w說，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，而此前國內(nèi)外的研究成果一直存在合成產(chǎn)物不可控的問題，從碳一化合物可能會(huì)產(chǎn)生出碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳?xì)浠衔?。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，最終他們成功地實(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爭、產(chǎn)物抑制、熱動(dòng)力學(xué)匹配等問題。

　　經(jīng)過各種優(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化至11步，并實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控。“這就是我們最初的夢想——憑空制造，隨心所欲?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒅锌圃禾旖蚬I(yè)生物所所長、研究員馬延和說。

　　三問：人工合成的淀粉跟自然淀粉一樣嗎？

　　“如果把人工合成淀粉做成面條、粉絲的話，大概會(huì)像意大利面那樣非常勁道?！瘪R延和表示，自然淀粉中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，合成的支鏈淀粉還沒有自然淀粉中的支鏈淀粉那么復(fù)雜。

　　“從外觀上看，人工合成淀粉跟從玉米、薯類等農(nóng)作物中提純出來的淀粉看起來是一樣的?！辈添w說，實(shí)驗(yàn)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(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，他們還專門對(duì)合成物進(jìn)行了理化分析?！巴ㄟ^核磁共振等檢測，它和我們自然生產(chǎn)的淀粉是一模一樣的。”蔡韜說。

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

　　作為一種基礎(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看，從太陽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。

　　他告訴記者，在實(shí)驗(yàn)室里，規(guī)模還比較小，平均一小時(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立方米大小的生物反應(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公斤淀粉?！瘪R延和說。

　　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)方面還有問題要解決，另一方面，就經(jīng)濟(jì)性而言，從控制過程成本初步計(jì)算，只有當(dāng)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)種植競爭。因此，要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決諸多的科技難題。

　　五問：接下來他們還要做什么？

　　“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，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。“我們計(jì)劃在未來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?！瘪R延和說。

　　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。

　　“中科院將集成相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項(xiàng)研究深入推進(jìn)?！敝锌圃焊痹洪L、中科院院士周琪表示，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”突破和“10到100”的突破，最終真正解決人類發(fā)展面臨的重大問題。

　　相關(guān)論文信息：

　　DOI：10.1126/science.abh4049