二氧化碳人工合成淀粉，减碳路上一小步

罗铮

淀粉人工合成从0到1

人类的生活离不开淀粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服等等，作为粮食最主要的成分，也是重要的工业原料，淀粉几乎涉及人们生活的方方面面。如此重要的高分子碳水化合物，人类能否找到一种简单经济的获取方式？

传统淀粉制造模式基于卡尔文循环，依靠光能作为能量来源，通过大面积种植获得富含淀粉的食物，满足人类对淀粉的需求，该淀粉制造模式受自然天气和耕种影响较大。

通过模拟和设计自然过程，采用化学—生物法，用二氧化碳和氢气为原料生产淀粉，与传统淀粉制备方法相比，具有生产效率高的优势，该方法有助于摆脱耕地和自然环境限制，解决粮食危机。

研究员在实验室展示人工合成淀粉样品

早在数年前，中国科学家已产生若干个大胆的科学设想：如果人类不靠种地，是否也可以获得淀粉;如果占空气0.031%的二氧化碳能“变成”淀粉，人类还用担心全球变暖吗;如果人类不再靠天吃饭，粮食由土地种植转向工厂制造，粮食危机还存在吗？如果这一系列的“如果”变为现实，那么世界将如何被科学改变？

这些颇具科幻色彩的设想，如今在科学家的不懈探索下有望变成现实。前不久，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称天津工业生物所）研究团队在人工合成淀粉方面取得重大突破性进展，首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的合成。

这一成果论文在国际学术期刊《科学》杂志在线发表，《科学》是全世界最权威的学术期刊之一，论文上线日期为2021年9月24日。这被认为是“从0到1”的原创性成果，突破了生化反应进化瓶颈，向设计生命迈进了一大步，为设计组装新功能的生物系统提供了新的科学基础。

在这篇题为《 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide 》的研究论文中，首次介绍了由二氧化碳到淀粉的完整合成技术。不仅如此，“双碳”目标大背景下，该技术未来还有望促进碳中和的生物经济发展，推动可持续经济。

采用一种类似“搭积木”的方式，天津工业生物所研究员马延和带领团队，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

据介绍，该技术不依赖植物光合作用，不需大面积种地、施肥和农作物加工，经优化，原料只需二氧化碳、氢气和电，便能生成淀粉。而且在充足能量供给条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

利用二氧化碳生成淀粉，图片来源： 天津工业生物技术研究所

“无中生有”的技术能担重任吗？

地球人口数量规模在急剧扩张，可用耕地面积萎缩，粮食安全、温饱问题越发突出，尽管我国划出18亿亩耕地红线，但是受环境变化、人口活动范围挤占优质耕种资源影响，粮食安全并不乐观。同时，随着国民温饱问题逐步解决，如何吃得绿色、健康、安全是下一步需要迫切解决的问题。

传统种植获取淀粉势必会使用大量的氮磷钾肥、农药等，长时间容易造成土壤理化性质恶化，作物果实品质降低，对人类健康产生影响，本研究成果提出的淀粉制备方法，避免使用农药等，所获得产品更为健康。

普通情况下，淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在农作物中，将二氧化碳转变为淀粉的复杂过程中，太阳能的理论利用效率不超过2%，且农作物生长周期长，需大量土地、淡水、肥料等资源。因此，新的淀粉制备方法实现了对二氧化碳的高效转化利用，无疑是多重利好。

对于这项二氧化碳人工合成淀粉技术的详细介绍及解读，在9月23日，中科院就此召开了新闻发布会。会上，中科院副院长周琪表示，当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。

而团队的整体设计思路是，将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电或氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。

这项研究成果，也获得了中外同行专家的认可和高度评价。

《科学》评审专家表示，“该项工作是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”美国工程院院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·尼尔森称，利用不同种类的酶组成的重组酶系统，将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉，是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例。

中国工程院院士、南京工业大学原校长欧阳平凯也认为，该研究对中国、对世界解决二氧化碳生成淀粉这个人类基本的食品和原料的问题以及“碳中和”工作，都有很重要的意義。

不过，上述展望的实现，仍要建立在一定条件的基础上。举例来说，首先该转化过程的成本需进一步降低，与农业种植相比具有经济可行性，才有可能节约耕地和淡水资源，同时避免农药、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。