种粮食，种粮食……过去，粮食必须在土地里种植。但某些科幻作品里，粮食则是通过工厂里的机器加工而成，甚至有人认为未来的人类可以以空气为食。如今，这个幻想逐渐变成现实。
什么是人工合成淀粉
淀粉的重要性似乎不言而喻，我们生活的方方面面都涉及到淀粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服……它是食物中最重要的营养成分，是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分，提供全球超过80%的卡路里。同时也是重要的饲料组分和工业原料。如果生产了近20亿吨谷物粮食，其中约12亿-14亿吨是淀粉。
一般而言，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。但通过光合作用生产淀粉的过程存在能量利用效率低、生长周期长的特点。例如玉米等常见农作物在将二氧化碳转变为淀粉的过程中，涉及60多步的代谢反应和复杂的生理调控。在这个过程中，太阳能的理论利用效率不超过2%。并且，农作物的种植通常需要数月的周期，期间还需要大量的土地、淡水、肥料等资源。
科学家们很早就开始思考：如果不依靠植物，不去种地，是否也可以获得淀粉？如果粮食由土地种植转向工厂制造，人类不需要靠天吃饭，粮食危机还会存在吗？如果人类可以将二氧化碳能“变成”淀粉，那么全球变暖的危机会消失吗？
科研人员一直希望改进光合作用这一生命过程，通过提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率，最终提升淀粉的生产效率。
但实现这一目标，并不是一件容易的事。人工合成淀粉涉及合成生物学，被公认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统，不依赖植物种植进行淀粉制造，存在着很多不确定因素，特别是科学问题复杂、技术路线不清、瓶颈问题难测。这就需要人们在科学研究上大胆实践、勇闯“无人区”。
2015年，国际纳米材料科学家杨培东构建出了一套“人工光合作用”系统，通过纳米线和细菌组成的系统，模拟自然界的光合作用，把二氧化碳和水转变成碳水化合物。2018年，美国国家航空航天局（NASA）发起了名为“二氧化碳转化挑战赛”的“百年挑战计划”，希望能将火星上最充足的资源——二氧化碳，转化成葡萄糖等有用的化合物，以满足人类在火星上生存和生活所需。这些研究都为人工合成淀粉技术打下基础。
2021年9月24日，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）在国际学术期刊《科学》发表论文《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》，表示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。他们提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。
人工合成淀粉的实验过程
从2015年开始，天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。他们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/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。
受天然光合作用的启发，天津工业生物所的科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上，进一步开发高效的化学催化剂，把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物，完成了光能-电能-化学能的转化。该过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率（2%），也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础。
科研人员用“搭积木”的思维，解决一系列适配性问题。因为人工合成淀粉的最大挑战在于，天然淀粉合成途径是通过植物数亿年的自然选择进化而成，各个酶都能很好地适配协作。而人工设计的反应途径，却未必能像植物那样完美实现。为了解决酶的适配问题，基于每个模块终产物的碳原子数量，科研人员采用模块化思路，将整条途径拆分为4个模块，分别命名为C1（一碳化合物）、C3（三碳化合物）、C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模块。每个模块的原料和产物都是确定的，但是可有多种反应过程。科研人员要做的，就是找到4个模块最佳的组合方式。
在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后，科研人员对各模块进行不断测试、组装与调整，最终成功实现了人工淀粉的实验室合成。该途径包含了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂。在此基础上，科研人员采用蛋白质工程改造手段，对其中几个关键限速步骤进行改造，解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题，进而让生物酶催化剂的用量减少了近1倍，淀粉的产率提高了13倍。随后，科研人员通过化学法，使二氧化碳进一步还原生成甲醇的反应偶联（由两个有机化学单位进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程），再进一步通过反应分离优化，解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题，淀粉的产率又提高了10倍，并可实现淀粉的可控合成。该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要组织细胞间转运的复杂过程，简化为还原-转化-聚合反应过程。公开资料表明，该系统从太阳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。
具体的实验过程如下：
研究团队利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成一碳化合物(C1)，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成三碳化合物(C3)，最后通过生物途径优化，将三碳化合物又聚合成六碳化合物(C6)，再进一步合成多碳化合物（Cn)。这条路线涉及11步核心生化反应，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。
图1.人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装
研究团队利用甲醛酶（fls）从候选C1中间体设计和构建淀粉合成途径的酶促部分，使用组合算法从甲酸或甲醇中起草了两条简明的淀粉合成途径。原则上，淀粉可以通过CO2与甲酸或甲醇作为C1桥接中间体的九个核心反应来合成（图1，内圈）。具体来说，C1模块（用于甲醛生产）、C3模块（用于3-磷酸d-甘油醛生产）、C6模块（用于d-葡萄糖6-磷酸生产）和Cn模块（用于淀粉合成）。但通过检索和模拟，研究者发现节能但在热力学上不利的C1模块产生的甲醛可能无法为C3a模块中fls的关键反应提供材料。
因此，他们构建了具有热力学上更有利的反应级联反应的替代C1模块。在热力学上最有利的C1e模块成功地与C3a模块组装在一起，并从甲醇中获得了显着更高的C3化合物产率。在计算途径设计的帮助下，通过组装和替换由来自31个生物体的62种酶构成的11个模块，研究团队建立了人工淀粉合成代谢途径（ASAP）1.0，其中有10个以甲醇为起始的酶促反应（图1，外圆）。ASAP1.0的主要中间体和目标产物通过同位素13C标记实验检测到，验证了其从甲醇合成淀粉的全部功能。
在建立ASAP1.0之后，研究团队试图通过解决潜在的瓶颈来优化这条途径。首先，由于其低动力学活性，酶fls在ASAP1.0中占总蛋白质剂量的约86%，以维持代谢通量并将有毒甲醛保持在非常低的水平。定向进化增加了fls催化活性，产生了变体fls-M3，其活性提高了4.7倍。图2B-D表明变体fbp-AR在AMP变构位点包含两个突变，可减轻ADP抑制并显著改善DHA的G-6-P产生。三种核苷酸对fbp和fbp-AR的抑制模式分析表明ATP或ADP是系统抑制的决定因素。通过将fbp-AR与报道的对G-6-P具有抗性的变体整合，组合变体fbp-AGR实现了进一步的改进。考虑到dak和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(agp)之间的ATP竞争，因为底物DHA及其激酶dak的增加导致前4小时内淀粉产量异常降低（图2A）。作者证实DHA和dak的共存通过Cnb严重抑制了淀粉合成（图2E）并输出DHA磷酸盐（DHAP）作为淀粉的主要产物（图2F，第一列），这证实了dak竞争性地消耗了大部分ATP。作者没有减少dak的用量，而是尝试增强agp的能力。根据报道的氨基酸置换，并且这些变体显示出与dak的增强竞争（图2F）。最好的变体agp-M3成功地将DHA的淀粉合成增加了大约六倍（图2G）。
通过使用这三种工程酶（fls-M3、fbp-AGR和agp-M3），研究团队构建了ASAP2.0，它在10小时内从20mM甲醇中产生了约230mgl-1直链淀粉。与ASAP1.0相比，ASAP2.0的淀粉生产率提高了7.6倍。
图2.ASAP中瓶颈问题的解决
在ASAP2.0中取得上述成功后，研究团队通过先前开发的无机催化剂ZnO-ZrO2将酶促过程与CO2还原相结合，进而从CO2和氢气合成淀粉。由于CO2加氢的不利条件，研究团队在ASAP3.0中开发了具有化学反应单元和酶促反应单元的化学酶促级联系统。为了满足fls对高浓度甲醛的需求并避免其对其他酶的毒性，他们进一步用两个步骤操作酶促单元（图3A）。为了从CO2合成淀粉，研究团队在ASAP3.1中引入了来自创伤弧菌的淀粉分支酶(sbe)。该设置在4小时内产生了约1.3gL-1淀粉（图3A）。合成淀粉在碘处理后呈红棕色，吸收最大值与标准直链淀粉相当（图3B）。合成的直链淀粉都表现出与其标准对应物相同的1到6个质子核磁共振信号（图3C、3D）。
图3.通过ASAP从CO2合成淀粉
人工合成淀粉的应用
那么人工合成的淀粉，和自然淀粉一样吗？
在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。科研人员对淀粉的基本判断方法是在溶液中加碘液，直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色。此外，他们还专门对合成物进行了理化分析。通过核磁共振等检测，它和自然生产的淀粉一模一样。
在口感上，如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝，大概会像意大利面那样劲道。因为自然淀粉是一种植物多糖，是由几百到几千个葡萄糖单体脱水缩合而成，一般由直链淀粉和支链淀粉混合组成。直链淀粉可溶于热水，分子量比支链淀粉小；支链淀粉不溶于冷水，与热水作用会形成浆糊，分子量比直链淀粉大。目前实验室里合成的主要是直链淀粉，合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。
该论文的通讯作者、天津工业生物技术研究所研究员马延和认为这项成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗，如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比更具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，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，推动形成可持续的生物基社会。
人工合成淀粉成功的消息轰动全球。这一突破得到该领域一批国际知名专家的高度评价。德国科学院院士曼弗雷德·雷兹表示，将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战，本项工作将该领域研究向前推进了一大步。美国工程院院士延斯·尼尔森表示，这是利用合成生物学解决当今社会面临的若干重大挑战的惊人案例，将为日后更多相关研究铺平道路。中国工程院院士陈坚表示，这个工作是典型的“0到1”的原创性成果。神户大学副校长近藤昭彦表示，这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展带来变革性影响。
可能有人会问，为什么全球科学家都很关注这个结果？为什么一定要对光合作用“逆天改命”？我们可以从两个角度进行简单地分析。
第一，它给我们解决“粮食危机”提供了一条新道路。
在此之前，人们只能依靠种植的方式的收获食物，由于种植方式耗时长、收获有限，所以“四海无闲田，农夫犹饿死”，全球仍有超过1亿人处于严重饥饿状态。而人工合成淀粉的科学成果，将为农业生产带来重大变革。人类可以不依赖光合作用，合成淀粉，生产各种各样的材料和食物。在实验室里，人工光合作用的能力得到了进一步扩展，使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能，为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。
可以大胆设想，当“二氧化碳制淀粉”技术被工业化运用后，未来淀粉的生产将通过类似“啤酒发酵”的模式，有可能在车间实现按需定制生产，变革传统农业种植获取的生产方式。而当二氧化碳制淀粉的生产工业车间，一旦具有经济可行性，将有可能会节约90%以上的耕地和淡水资源。
第二，缓解温室气体造成的气候危机。
曾经，农田是“碳源”。化肥、农药、农膜等农业物料的生产中会排放大量的二氧化碳；耕田农耕农业机械的运用及农业灌溉将耗费化石燃料，源源不断地向大气中排放二氧化碳。如果能利用可再生能源产生的电能，将二氧化碳分子转化为甲醇、甲酸等，不仅可将可再生能源以化学能的形式转化和存储，还能降低大气中二氧化碳的浓度，缓解全球气候变暖、海洋酸化等问题，是一种能同时实现碳循环利用和可再生能源存储的有效途径。
按照这样的设想，未来人类可以进一步优化种植业结构，减少资源高消耗、化学品投入大的农作物种植，由单一农产品供给功能向增加碳汇、保护生态环境的功能转变。利用可再生资源产生的电能，实现了从温室气体二氧化碳再利用到粮食核心成分淀粉合成的跨越式发展，实现“有电就有粮”。
人工合成淀粉的未来发展
尽管在实验室内取得成功，但专家们坦言，目前人工合成淀粉从实验室走向工厂仍是“路漫漫其修远兮”。
天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬表示，实验室里合成出淀粉大约需要4个小时。但目前在实验室里，规模还比较小，平均1小时能合成出的淀粉只有几克。但是按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉平均年产量，这为淀粉生产的车间制造提供了可能。
但他也承认人工合成淀粉技术在产业化应用面临很大的挑战。一方面，在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决；另一方面，就经济性而言，从控制过程成本初步计算，只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争。
这种成果从实验室走进工厂的距离是惊人的，人工合成淀粉只是初步把路径走通了，但还要考虑到成本核算的问题，目前看，成本降到能和自然生产淀粉差不多的水平还非常难。
未来人工合成淀粉的挑战在于细胞外合成考验各种酶的稳定性。如何做好各种酶的分离纯化，酶如何在细胞外保持活性，如何应对合成中的每一步后酶的活力下降……这些问题都需要在细胞外得到解决。合成淀粉的步骤较多，目前成本是很高的，也是工业化不能接受的。合成淀粉的另一个难题，是随着分子量的不断上升，葡萄糖不断被整合在高分子淀粉链上，黏度会越来越大，聚合的难度也会越来越高，人工合成淀粉也将可能聚合不到分子量特别高的淀粉。从分子量的角度看，人工合成淀粉和常见的淀粉还有一段距离。
而这项技术在减碳领域的应用还需要时日。因为二氧化碳非常稳定，打开化学键必须外输能量。二氧化碳合成有机物的转化过程，需要氢气，也必须是绿电制备的绿氢。所以成本非常高。
虽然困难很多，但从0到1的第一步已经迈出了。天津工业生物技术研究所的团队计划在未来5至10年内，建立工业示范，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。并且希望与相关研究所、大学和企业等创新力量加强合作，推进人工合成淀粉工程化进程。
“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示，后续研究团队还需要尽快实现从“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破，最终真正解决人类发展面临的重大问题。
作者：和卓琳
文字审核：柏双玲
科学性审核：阮光锋 科信食品与营养信息交流中心科学技术部主任
本文来自：中国数字科技馆
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