中國技術(shù)原創(chuàng)性突破，溫室氣體變糧食！

我國科學(xué)家又搞事情了，讓我們的有生之年系列再添“新成員”。

就在日前，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在國際上首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，并于北京時間9月24日將該成果發(fā)表在了國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

二氧化碳變淀粉？聽起來像是個魔術(shù)，又有點魔幻，但它卻是一項千真萬確的科研成果，仿佛就是魔幻現(xiàn)實主義的真實寫照。

淀粉是碳水化合物的一種儲存形式，是人類飲食中能量的主要來源。如果這一成果能被實際應(yīng)用，以后就算窮的只能喝西北風了，也管飽！

科技的日新月異給我們帶來了太多的“活久見”，作為現(xiàn)代社會的第一生產(chǎn)力，科技的一次次創(chuàng)新突破極大的推動了社會的發(fā)展和人類的進步。

但一項科學(xué)技術(shù)想要產(chǎn)生變革性的影響，工業(yè)化是必經(jīng)之路，而這需要科學(xué)、商業(yè)、社會等多個領(lǐng)域共同來完成，缺少任何一環(huán)都行不通。

我國由于科技發(fā)展較晚，曾一度遠遠落后，為了避免“落后挨打”，科學(xué)家們奮起直追，數(shù)十年如一日潛心科研，在短短的幾十年間，取得了讓世界刮目的成就。

二氧化碳到淀粉的從頭合成這一原創(chuàng)性、顛覆性的突破，在國際上也引發(fā)了專家的熱議。

對于我們大多數(shù)人來說，這一科研成果就像是把“不可能變成了可能”。那么這一超認知的過程到底是怎么實現(xiàn)的了？對我們未來的生活又會帶來哪些影響呢？

中國原創(chuàng)性突破

眾所周知，淀粉主要由農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成，這一過程涉及60余步的代謝反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，對太陽能的理論利用效率不超過2％。

為了提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率，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)團隊，采用一種類似“搭積木”的方式，成功創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線，并在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

圖／利用二氧化碳經(jīng)ASAP合成淀粉

人工淀粉代謝合成途徑（ASAP）由11種核心反應(yīng)組成，在一個具有時空隔離的化學(xué)酶系統(tǒng)中，在氫氣的驅(qū)動下，ASAP以每毫克催化劑每分鐘消耗22nmol的二氧化碳來合成淀粉。

圖／人工淀粉合成途徑的設(shè)計和模塊組成

這一人工途徑的淀粉合成將約60步的代謝反應(yīng)縮短為11步，其合成速率是玉米淀粉合成速率的8．5倍，可謂是向設(shè)計自然、超越自然的目標邁進了一大步。

這看似短短的11步，卻是“步步艱險”，馬延和團隊在這一項目研究過程中遇到了種種難題，但終究一一攻克并取得了重大突破。

“植物合成淀粉的機制非常復(fù)雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來看，還是還原、縮合、重排、聚合的過程。”天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜說。

他介紹，在這一過程中主要實現(xiàn)了三大突破。從重新設(shè)計自然代謝途徑開始，首先解決了途徑計算設(shè)計中普遍存在的不適配難題，團隊用計算機可以設(shè)計出很多條合成途徑，通過各種模塊的組裝和適配，最終篩選出了符合條件的路徑，跨越了從虛擬到現(xiàn)實的鴻溝，將自然淀粉復(fù)雜的合成過程簡約至只有11步主要反應(yīng)。

其次，突破了不同來源、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動力學(xué)難以匹配的瓶頸，跨越了自然緩慢進化的鴻溝，超越了生物代謝途徑億萬年的進化效果，淀粉合成速率大大提高。

最后，從二氧化碳到淀粉的人工合成克服了化學(xué)和生物協(xié)同催化的障礙，實現(xiàn)利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應(yīng)能量傳遞的鴻溝，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3．5倍。

這當中最大的難題當屬如何讓不同來源的酶元件按照設(shè)計的路徑在一起有效工作，研究團隊為此測試了不同來源的酶元件，設(shè)計、改造了多個酶基因，做了上百種不同的組合測試。

得益于這些研究上的突破，二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升。按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當于5畝玉米的淀粉年平均產(chǎn)量（按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算）。

這一成果不僅對未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)具有革命性影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有里程碑意義。

應(yīng)用可能不遠了

馬延和說，這項研究不是自由探索的基礎(chǔ)研究，而是需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、目標導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究。也就是說，這項研究成果除了具有重要的科學(xué)意義，本身還具有很高的應(yīng)用價值。

近年來，全球氣候變化導(dǎo)致的極端天氣頻現(xiàn)，糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等問題也十分突出。為了應(yīng)對這一系列的挑戰(zhàn)，世界各國都在不斷的尋求自救之法。

而二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)的突破，為解決人類的生存危機提供了一條很有效的途徑。因此，雖然這一科研成果從實驗室到工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走，但必須走，路雖遠，行者將至。

正如中科院副院長周琪所說，該成果目前尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當長的距離，后續(xù)還需要盡快實現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。

1831年，英國的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，60多年后赫茲在實驗中證實了電磁波的存在。如今看來，電磁波的發(fā)現(xiàn)，是＂有線電通信＂向＂無線電通信＂的轉(zhuǎn)折點，也是整個移動通信的發(fā)源點。但在當時誰也無法想象這一實驗室成果會對人類的生活帶來翻天覆地的變化。

上個世紀三十年代，當?shù)谝徊克^的移動通訊電話誕生的時候，由于體積太大，研究人員只能把它放在實驗室的架子上。

直到1985年，第一臺現(xiàn)代意義上的可以商用的移動電話才誕生。

手機的出現(xiàn)之所以經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，是由于電磁波的發(fā)現(xiàn)是基于自由探索的基礎(chǔ)研究，對于它的應(yīng)用方向一開始并不是完全明確的，支撐理論應(yīng)用的硬件基礎(chǔ)也還不夠完善。

但在二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)實現(xiàn)突破的今天，我們已經(jīng)有了更加豐富的基礎(chǔ)理論積累，硬件配套也變得足夠完善。

最重要的在于，這是一項目標導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，對于這一研究的應(yīng)用方向足夠明確，對于應(yīng)用的需求也是十分的強烈。

如此看來，這一成果能否工業(yè)化，結(jié)果是肯定的，而且可能會來的很快。

那么，這一研究成果一旦應(yīng)用到底能給我們帶來哪些影響呢？

如何改變未來？

1）保障糧食安全

民以食為天，縱觀歷史，糧食是維系整個社會穩(wěn)定的重要因素。

據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的報告顯示，受蝗災(zāi)、疫情和極端天氣產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害等因素的影響，2020年全球新增1．3億饑餓人口，全世界有6．9億人正處于饑餓狀態(tài)，共有25個國家面臨嚴重饑餓風險，世界瀕臨至少50年來最嚴重的糧食危機。

俄羅斯、塞爾維亞、越南、哈薩克斯坦等國為確保本國的糧食安全均已經(jīng)限制糧食出口。放眼全球的206個國家與地區(qū)中，也只有33個國家和地區(qū)能做到糧食自給自足。

糧食危機并非危言聳聽。

淀粉作為人類飲食中能量的主要來源，我們可以利用合成的淀粉生產(chǎn)各種各樣的材料和食品，因此，這項研究成果對于保障糧食安全舉足輕重。

農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等資源，對于自然環(huán)境變化的抗性也較差。

如果二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)能夠工業(yè)化，將使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，淀粉的生產(chǎn)將不再受干旱等惡劣天氣和自然災(zāi)害的影響，生產(chǎn)效率更是玉米淀粉合成速率的8．5倍，消除饑荒也指日可待。

即便是無法完全滿足食物淀粉的需求，替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料、飼料等也可極大的緩解農(nóng)業(yè)壓力。

2）改善環(huán)境

目前，我國土地化肥農(nóng)藥的使用量觸目驚心，我國糧食產(chǎn)量占世界的16％，化肥用量占31％，每公頃用量是世界平均用量的4倍，過量的化肥很快被水沖到地下，影響土壤的營養(yǎng)平衡。

而我國每年180萬噸的農(nóng)藥用量，有效利用率不足30％，多種農(nóng)藥造成了土壤污染，甚至使病蟲害的免疫能力增強。不斷加劇的農(nóng)藥使用，對于環(huán)境、農(nóng)地糧食和食品殘留帶來非常嚴重的問題。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部部長韓長賦曾撰文指出，中國當前耕地過度利用、土壤污染，導(dǎo)致耕地質(zhì)量的下降，正成為威脅中國糧食安全的另一個隱憂。

也就是說，土壤的污染會最終成為影響糧食安全的一個隱患，那么反過來，利用工業(yè)車間生產(chǎn)模式替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式會減少土壤的利用，也會讓土壤污染的情況得到改善。

如果未來二氧化碳合成淀粉的應(yīng)用過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，可節(jié)省超過90％的土地和淡水資源，化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的污染問題也會迎刃而解。

節(jié)省的土地，還可用于退耕還林，擴大森林覆蓋面積。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，森林碳匯在降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖中，具有十分重要的作用，也是短期實現(xiàn)“碳中和”目標的重要一環(huán)。

說到“碳中和”，二氧化碳合成淀粉為二氧化碳原料直接合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線，而這一技術(shù)路線又為推進“碳達峰”和“碳中和”目標的實現(xiàn)提供了一種新思路。

3）助力太空探索

自從人類將目光投向了宇宙，便再也沒有停下過對于外太空的探索?！巴庑且泼裼媱潯币苍缫驯惶嵘狭巳粘蹋趸己铣傻矸?，無疑是給這一暢想增加了一項技術(shù)保障。

火星、金星等星球的大氣中都以二氧化碳為主，若能直接轉(zhuǎn)化為淀粉，人類的主要能量供給問題便得到了解決。這將讓人類長期開展星球探索，甚至星球移民變得更加容易。

雖然“外星移民計劃”目前還只能在科幻電影中實現(xiàn)，但隨著科技的發(fā)展，阻礙人類走向外太空的技術(shù)一一突破，人類終將征服星辰大海。

寫在最后

我國科學(xué)家首次在實驗室實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

正如馬延和所說，這一成果研究設(shè)計、組裝出一種自然界不存在的淀粉合成代謝途徑，并使其工作效率大幅高于自然生物過程，解決了生物功能從虛擬到現(xiàn)實、人工途徑生物進化、生化反應(yīng)能量傳遞等科學(xué)難題。

雖然從實驗室到工業(yè)化應(yīng)用還面臨眾多的科技挑戰(zhàn)和經(jīng)濟性可行性問題，但孕育了巨大的產(chǎn)業(yè)變革新機。

對于把二氧化碳資源轉(zhuǎn)變?yōu)槭称?、材料、化學(xué)品等綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重大影響，對于保障糧食安全、改善生態(tài)環(huán)境、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義，同時也將為人類探索太空創(chuàng)造更多的可能性。

相較于這些深遠宏大的影響，這種突破傳統(tǒng)認知的變革，對人類的沖擊力往往是巨大的。

對于普通人來說，可能更關(guān)心的是非自然生產(chǎn)食品的安全問題，即使二氧化碳合成淀粉從本質(zhì)上來說與之前引起巨大爭議的轉(zhuǎn)基金食品并不相同。

新的技術(shù)誕生并不意味著就會扼殺人們的選擇權(quán)，擁抱新的科技并不妨礙我們繼續(xù)享受手中美味的玉米。

參考資料：

1．《領(lǐng)先全球！中國首發(fā)顛覆性成果：用CO2人工合成淀粉》科技日報

2．《我國科學(xué)家在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，系國際上首次實驗室里“種”淀粉》中國科學(xué)院

3．《“從0到1”，我國用二氧化碳人工合成淀粉取得重大原創(chuàng)性突破》中國科學(xué)院