来源｜虎贲尉人类能够人工将二氧化碳合成为淀粉也就是粮食吗？对这个问题，中国科学家历时6年多科研攻关，给出了肯定和详细的答案继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结

 

来源｜虎贲尉人类能够人工将二氧化碳合成为淀粉也就是粮食吗？对这个问题，中国科学家历时6年多科研攻关，给出了肯定和详细的答案继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素（蛋白质）之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的人工化学-生物合成。

北京时间9月24日凌晨，由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，TIB）主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文，在著名国际学术期刊《科学》上线发表，从而为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造“打开了一扇窗”。

这篇论文的题目是《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》（从二氧化碳无细胞化学酶合成淀粉）文章说，这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步。

为创建新功能的生物系统提供新的科学基础，也将为未来从二氧化碳合成淀粉开辟崭新道路，使未来淀粉的工业化生物制造成为可能这是我国生物科学领域的第二次巅峰突破，合成的可是淀粉这种复杂有机物，这也是我们粮食的主要成分！。

粮食、淀粉和糖淀粉是什么东西？可能很多人忘得差不多了，需要复习一下中学化学生物常识淀粉就是多糖，是相对简单的有机化合物有机化合物是指由碳元素、氢元素组成，但是不包括碳的氧化物、硫化物、碳酸、碳酸盐、氰化物、金属化合物等主要在无机化学中研究的含碳物质。

有机物基于碳链、碳氢链构成复杂的长链，是生命产生的物质基础。化学和生物意义上的“糖”，一般是指单糖（葡萄糖、果糖）及其聚合物。

葡萄糖分子立体模型，有6个碳组成骨干直链单糖包括葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖、甘露糖、木糖、核糖和脱氧核糖等葡萄糖和半乳糖是直链的五羟基醛（己醛），果糖和山梨糖是直链的五羟基酮（己酮）二糖包括蔗糖（葡+果）、麦芽糖（葡+葡，α糖苷键）、乳糖（葡+半）、纤维二糖（葡+葡，β糖苷键）等等。

而多糖就是上述单糖、二糖的多聚物。

图注：葡萄糖分子结构更聚焦于葡萄糖（glucose），这是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，分子式C6H12O6葡萄糖是单糖两个葡萄糖连在一起，就变成了麦芽糖，这也叫双糖如果再多连几个，3-9个葡萄糖，就变成了低聚糖。

如果继续连，10个以上，就变成了多糖，(C6H10O5)n当然，由于不同的连接方式不一样，东西也不一样比如淀粉，比如纤维素，比如糖原，比如壳聚糖，比如糊精等糖类和淀粉，合称为碳水化合物，与脂肪、蛋白质并称三大能量物质。

也就是人类食物的三大基本构成人吃饭（米饭、馒头），淀粉酶会把淀粉分解为单糖，最终被消化系统吸收然后单糖在生物体内发生氧化反应，放出热量，供给生物所需所以，人类的三大主食——大米、面粉、玉米，以及背后的农作物——水稻、小麦、包谷，还有土豆、红薯等等，本质上都是淀粉的制造厂。

而它们的来源，就是著名的光合作用：

在阳光的能量输入、叶绿素的催化下，把空气中的二氧化碳和水，转化为淀粉，放出氧气。这是植物生长的本质，也是农业的本质来源。

影响世界的重大颠覆性技术自然作物通过自然光合作用生产淀粉，合成与积累涉及60多个个生化反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右农作物的种植通常需要较长周期，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。

粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战，粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用是当今世界科技创新的战略方向。而不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉，是影响世界的重大颠覆性技术。

在所长马延和的带领下，中科院天津工业生物所从2015年开始专注于研究人造淀粉生物合成和CO2的利用，项目负责人是副研究员蔡韬面对繁琐的60多步生物合成步骤（植物具体有C3途径和C4途径两条固碳线路），科学家们并不是简单的模仿或者删减，而是重新设计出了一条相对很短的人工路线，一共只需要11步。

从大的方面，可以总结为四个阶段：CO2C1（分子内有1个碳原子的有机物，下同）C3C6（葡萄糖）Cn（即淀粉）。

具体一下：首先将二氧化碳和水用无机催化剂还原为甲醇（也就是C1、碳一），这已经是较为成熟的化学合成工艺了然后甲醇被转换成为C3（二羟基丙酮），接下来是C3合成C6（葡萄糖）最后，聚合成为淀粉长链这说起来容易的搭积木过程，就是生物合成工艺。

具体的11步：1.在氧化锌-氧化锆催化剂作用下，将高浓度的二氧化碳和水，供能还原反应，催化加氢，反应生成为甲醇（CH3-OH）2.甲醇被氧气氧化，脱掉两个氢，变成甲醛（CH2-O），氧气来源于双氧水3.甲醛缩合，形成二羟基丙酮（C3）。

4.ATP供能，把二羟基丙酮磷酸化，形成成磷酸二羟丙酮。5.酮与邻位羟基重排列，形成醛邻位羟基，异构成为3-磷酸甘油醛。

6.C3物质通过加成反应，两两成环，形成5原子氧环7.脱去部分磷酸根8.五元环重排为六元氧环，形成葡萄糖骨架（C6）9.磷酸化邻位羟基，防止开环10.二磷酸腺苷化11.脱磷酸，聚合成淀粉（Cn）

其实，自然界中并不存在从甲醇合成淀粉的生命过程科研人员是利用计算生物学的思想，从6568个化学反应和生物合成途径中，设计出了一条只需11步反应的从二氧化碳到淀粉的人工路线这些都是通过计算机模拟设计起草，通过模块化组装和替代适配，对各模块进行不断地测试、组装与调整，打通了合成路径。

这条路线，结合了化学催化与生物催化技术，充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势在实际操作中，各个步骤之间不太兼容，比如所需要的反应条件不太一样为了满足连续反应条件，又通过模块化思维，选择不同的反应过程，才摸索出了这条11步的反应路径。

然后，科学家们又通过蛋白质生物工程改造催化酶，提高反应效率和速度科研人员挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优出10种并加以改造这系列操作就是经典的合成生物学领域的操作。

这10种酶促过程，就是本次突破的精华天津工业生物所历时3年，于2018年7月24日首次合成成功CO2淀粉的路线。这就是1.0版方案。

解决有和无的问题后，又用了3年时间进行优化：2.0版方案，优化了反应效率。对三种瓶颈相关的酶进行蛋白质工程优化。这样，生物酶催化剂的用量减少了近一倍，淀粉的产率提高了13倍。

3.0版方案，将化学反应（CO2氢化）和后续的生物酶反应结合起来。通过反应时空分离优化，解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题，建立了生化级联反应系统，淀粉的产率又提高了10倍，

3.1版方案，也就是目前公布的，使用了从Vibrio vulnificus（一种弧菌）中获得的酶（Starch Branching Enzyme），来生成更接近现实中淀粉结构的直链-支链淀粉比例按照20%的光电转化效率计算，这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统，理论能量转化效率可达7%，淀粉合成速率比自然界植物的光合作用提高了3.5倍。

这是“生物合成领域里程碑式的突破进展”。

成本和未来工业化生产当然不可否认的是，实验室合成成功更多是证明原理可行，为全人类探索新道路。大规模工业化生产，必然还有很长的距离。那么未来还要做那些事情？

第一就是降低成本，目前的这系列反应中，成本最高的是酶促反应的酶搞生物的同学都知道，一小管酶超过等重黄金价格也不是什么稀奇事情目前该研究中是每12克酶催化剂支持1升的反应体系，寿命为500小时如何进一步降低酶的生产成本，以及提高酶的利用效率是非常重要的研究方向。

第二步，还包含能源成本的考虑植物利用光能合成淀粉的环境成本和经济成本很低，人工合成路线的能耗效率，能否与太阳能电池板相提并论？另外，工业化生产食物，还有设想的另一条路线——“植物工厂”，也就是用LED日光灯给植物提供光合作用。

人工从二氧化碳直接合成淀粉，这条路线的能耗效率、生产成本能否低于，或者至少不明显高于“植物工厂”模式？这将是经济上的重要衡量对比指标但是从未来来看，以星辰大海为目标的话，这项技术的价值无疑是奠基性的毕竟如果突破了可控核聚变技术，有了无限的能量，能源源不断地产生淀粉，还是很香的一件事情。

从二氧化碳直接合成淀粉，人工反应步骤短，合成速度为自然过程的8.5倍系统启动到第一批淀粉生产需要11个小时当系统稳定下来后，产生淀粉的速率是的每升每小时410毫克，按照计算，理想状况下1立方米（1000升）一年（8760小时）可产生3591.6千克的淀粉，也就是3.6吨。

而以淀粉合成效率最高的玉米来说，美国的全国平均单产每亩750公斤，中国则只有400公斤仅仅按照目前的技术参数，1立方米生物反应器的年淀粉产量，理论上就相当于种植5亩玉米（美国）甚至9亩（中国）的淀粉年产量。

9亩地，就是6000平方米，100米×60米，也就是一个足球场大小！

如果未来该过程的总体成本能够降低到经济上可与农业种植相媲美的水平，预计将节省90%以上的耕地和淡水资源，展现了超越自然作物的极大潜力。

科学家比科幻作家更有想象力大家还记得《星际穿越》这部神剧吗？地球粮食危急只剩下了玉米，但是玉米也岌岌可危！所以人类不得不派出宇宙飞船去探索遥远时空的第二个地球。

大家还记得《流浪地球》这部神剧吗？在人类推动地球去另一个星系的流浪途中，蚯蚓干成了人类可食用的宝贵蛋白质。话说稍微对植物工厂有点了解的，都会嗤之以鼻。

说实在话，大部分科幻作家的想象力都很局限人类都能实现跨时空星际旅行了，结果连最基本的食品问题都解决不好？真正更有想象力的，还得看科学家之前的设想，是在节约占地的立体建筑中，人工光源促进植物生长，建造“植物工厂”。

现在，变成了在分子层面，直接实现从二氧化碳人工合成淀粉，创立了一个全新的创新赛道。

回顾一万年前，人类的祖先发现，有些植物的种子落地，半年就能重新长出新的一代，这些包含淀粉的新种子还可以食用，填饱肚子于是，在中东人们发现了大麦和小麦，在东亚人们发现了栗子和水稻，在美洲人们发现了玉米和红薯。

这就是农业和人类定居生活的起源，也是从智人到现代人的关键一步。

有了农业，曾经一路逐鹿而生的小股部落定居下来，有了村落，有了城邦，有了文明和国家一万年，五千年，两千年，四百年从农业定居开始，人类文明一路走来学会用火，制陶，冶炼金属，发明文字，学会航海，发明蒸汽机、内燃机，解锁化石能源利用，了解和掌握电力，电气化，电子化，航空航天……。

现在，农业覆盖了南北纬60°之间的所有宜耕土地。一直以来，农业问题关乎了人类的生死存亡。

确实是人类一万年来最重要的发明之一传统农业种植模式向工业车间生产模式转变，是目前已知的文明发展方向合成淀粉技术则是将农业转向为工业化大生产的第一步它取代自然界相对低效的能量转化方式，得到人工的高效的能量利用率，用更少的地，更高的速度来生产淀粉，是农业到工业的进步。

另外，工业化生产粮食的技术路线，和风电等清洁能源简直绝配在用电低谷时期发出来的电，直接合成淀粉储存起来，不仅能确保电能合理利用，还能消耗二氧化碳，降低温室效应生物经济模式，更为实现“碳中和”目标提供了全新的解决思路。

下一步再解决从二氧化碳和氮气从头合成蛋白质人类就可以不再依赖于农业，依赖光合作用这种缓慢的合成方式不受气候地理限制，直接在世界各地的工厂里高效率的生产食物、酒精、动物饲料、工业原材料等生活必需品，且不需要依赖长途输送。

与此同时，绝大部分的耕地都可以用来退耕还林，还原生态，改善环境，改善人类的居住条件。有人说，“21世纪毕竟可能还是生物的世纪”。

从本质来说，开启未来世界的关键钥匙一共有两把：无限的能源，以及无限的食物现在看来，这两把钥匙实际上又是一体两面的可以说，就是同一把钥匙因为食物，就是提供人体自身所需的能量生产食物，种植作物，发展农业，本质就是利用太阳能。

植物光合作用，就是固碳、释氧、储存太阳能。动物吃植物消化呼吸，就是氧化、排碳、释放能量，是逆反应。

站在2021年的时空，可控核聚变的“人造太阳”已经可以望见，“无限能源”即将解锁但在今天之前，对“农业工厂化”的想象，也仍停留在“可控核聚变实现后的立体农业与电灯种粮”的程度换言之，这是一项连科幻作品都根本未曾设想的技术。

可控核聚变+农业工厂化，这把一体两面的钥匙，将解锁人类发展上限，确实是人类一万年来最重要的发明之一。它堪与利用火、利用电等划时代成果相提并论，是未来文明的奠基石。伟大！非常伟大！

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