從夢想到現(xiàn)實：人工合成淀粉的突破之旅

作者 段躍初 黃湘紅

在當今世界，我們面臨著諸多嚴峻的挑戰(zhàn)，如氣候變化、糧食安全以及能源資源短缺等。在尋求解決方案的道路上，一項令人矚目的科學突破應運而生——人工合成淀粉。

中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所內，一場關于未來的科學探索正在悄然展開。2018 年的一天，對于研究所的研發(fā)人員喬婧來說，是個永生難忘的日子。當她將碘液加入試管，那期待已久的淡淡藍色出現(xiàn)了，這意味著淀粉成功合成。同一時刻，項目經理蔡韜從會議室飛奔回實驗室，當他親眼看到“淀粉藍”時，懸著的心終于放下，喜悅之情溢于言表，同事們也紛紛鼓掌歡呼。

這一激動人心的成果源于一次深刻的思考。在出差回天津的高鐵上，時任所長馬延和腦海中突然冒出一個念頭：“當今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn)，如何把二氧化碳轉化成對人類有意義且有市場價值的物質？”經過研究所的認真研判，人工合成淀粉項目于 2015 年正式提出。

接到攻關任務邀請時，蔡韜既興奮又擔憂。在自然界中，玉米、小麥、土豆等農作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉化成淀粉，但這個自然過程需要大量的土地和淡水資源，且受天氣影響極大。那么，能否模擬自然界淀粉的合成過程，通過技術手段實現(xiàn)人工合成淀粉呢？

最初，團隊的思路是利用可再生能源分解水產生電子或氫，然后將二氧化碳還原為甲酸、甲醇等簡單化合物，進一步通過酶催化簡單化合物聚合生成淀粉。然而，在農作物中，淀粉的合成大約需要 60 步代謝反應，如果要進行工業(yè)化生產，必須簡化步驟。蔡韜和團隊與所內擅長生物設計的團隊合作，從 6568 個生化反應中進行系統(tǒng)挖掘和篩選，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設計了最短的人工淀粉合成路徑。理論上，二氧化碳僅通過 9 個主反應就能合成淀粉。

但實驗的過程并非一帆風順。三年的時間里，實驗記錄摞了半人高，團隊成員的心情也隨著實驗的起伏而波動。其中最突出的問題出在“酶”上。自然界中的反應路徑是經過長期自然選擇進化而成，各個酶能夠適配協(xié)作，而人工設計的反應路徑則不同。為了調和酶之間的“矛盾”，蔡韜與專門研究酶的團隊合作，對酶進行定向改造或人工設計新酶。

經過無數(shù)次的討論、實驗、推翻、再討論、再實驗，團隊嘗試利用甲醇中“氫燃燒”產生的能量驅動產生甲醛的反應，解決了反應中的熱力學與動力學不匹配的問題，9 個主反應也相應被拓展到 11 個。

科學的積累是漫長的，但突破有時就在一瞬間。2018 年 7 月 24 日上午，那一抹“藍”出現(xiàn)了，然而這只是人工合成淀粉的 1.0 版本。此后的幾年，團隊不斷努力，完成了技術的迭代升級。如今，淀粉的生產強度較 1.0 版本提高了 136 倍，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。

2021 年，人工合成淀粉團隊在國際刊物《科學》雜志上發(fā)表了結合人工光合反應和生物酶催化反應構筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系。這一成果被審稿專家評價為“一項里程碑式的突破，將在下一代生物制造和農業(yè)生產中帶來變革性影響”。

這一突破不僅為解決全球面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路和可能，也讓我們看到了科學的無限潛力。未來，人工合成淀粉技術有望在應對糧食安全、能源危機和環(huán)境保護等方面發(fā)揮重要作用，為人類創(chuàng)造更美好的明天。

人工合成淀粉的技術難點有哪些？

反應路徑設計方面：

1. 缺乏天然模板：自然界中不存在從甲醇到淀粉這樣完整的合成路徑 ，需要完全從頭構建，要從海量的生化反應中設計出合理且高效的僅11步的反應路徑挑戰(zhàn)極大。

2. 復雜的多步反應協(xié)調：即使設計出來，如何協(xié)調各步反應的速率、順序、中間產物的傳遞等以保證整個流程的順暢運行是個難題。

催化劑（酶）相關方面：

1. 酶的挖掘和篩選：從不同物種挖掘合適的酶是個復雜的過程。要從動物、植物、微生物等31個不同物種來源找到合適的62個生物酶催化劑難度大。

2. 酶的適配性：

- 不同酶之間的適配，人工合成途徑中酶來自不同物種和環(huán)境，它們之間的協(xié)同配合難以達到自然界長期進化形成的天然體系那樣完美適配。

- 酶與反應體系適配，酶催化的反應環(huán)境（如溫度、酸堿度、離子強度等）要求與整體反應體系環(huán)境要求可能存在沖突。

3. 酶的穩(wěn)定性和活性維持：

- 在反應進程中保持酶的活性不降低、不失活，尤其是在非天然的反應體系和多次循環(huán)反應中維持穩(wěn)定的活性是個挑戰(zhàn)。

- 酶的生產和保存條件苛刻也影響其在大規(guī)模生產中的應用。

工程化方面：

1. 規(guī)模化生產：從實驗室少量合成到工業(yè)大規(guī)模反應器內的生產，涉及到反應體系的放大，如何保證反應條件（傳質、傳熱、混合等）在大規(guī)模體系中仍能達到實驗室小試的效果面臨諸多工程難題。

2. 成本控制：

- 酶的制備成本高昂，難以實現(xiàn)工業(yè)上低成本、高效益的利用目標。

- 整個反應過程中能量供應（如電能等，如果依賴光伏發(fā)電電能轉化效率以及成本等問題）、原料成本（二氧化碳和氫氣等原料的獲取和儲存運輸成本等）等綜合成本控制難度大。

3. 產物分離純化：合成的淀粉需要從復雜的反應體系中分離出來，并且要保證純度等滿足要求，而在大規(guī)模生產中分離純化技術和成本都是難點。

原料方面：

1. 氫氣的制備：如果合成過程中需要氫氣參與，氫氣的來源如果依賴于電解水等方式，其能源成本以及制備過程的穩(wěn)定性等是問題。

2. 二氧化碳的高效利用：二氧化碳化學性質相對穩(wěn)定，將其活化并參與反應的過程中，如何提高其反應活性和利用率也是技術難點。

檢測與質量控制方面：

1. 過程監(jiān)測：在復雜的反應體系中實時監(jiān)測反應進度、酶活性狀態(tài)、中間產物和副產物等，缺乏有效的技術手段和設備。

2. 質量把控：確保合成的淀粉與天然淀粉在分子結構、理化性質等方面完全一致，并保證批次之間的穩(wěn)定性等，技術難度較大。

以下是人工合成淀粉技術未來的一些發(fā)展趨勢：

技術優(yōu)化方面

反應效率提升：

1. 持續(xù)改進催化劑（酶）性能，進一步提高淀粉合成的反應速率和轉化率，縮短合成周期。

2. 對反應路徑進行更精細的優(yōu)化，減少不必要的能量損耗和副反應，提高能量利用效率和原料利用率，可能會發(fā)現(xiàn)新的中間反應步驟銜接方式以實現(xiàn)更高效轉化。

3. 反應體系優(yōu)化，如改進反應條件（溫度、壓力、酸堿度等）以更好地適應酶和化學反應的進行。

成本降低：

1. 開發(fā)更經濟的酶生產技術和保存方法，降低酶在整個過程中的成本占比。

2. 提高能量供應（如電能等）的效率和降低其成本，比如通過新型能源技術或能源綜合利用模式。

3. 降低二氧化碳的獲取成本，以及原料運輸、儲存等相關環(huán)節(jié)的成本。

4. 隨著技術成熟，反應器等設備的建設和維護成本也會逐步降低。

規(guī)模化與工業(yè)化

大型化生產設備：

1. 設計和制造更大規(guī)模、更高效的生產反應器和配套設施，實現(xiàn)從實驗室級別到中試、再到大規(guī)模工業(yè)化生產的跨越。

2. 開發(fā)先進的自動化控制系統(tǒng)，確保大規(guī)模生產過程中的穩(wěn)定性和安全性。

產業(yè)鏈形成：

1. 帶動上下游產業(yè)發(fā)展，如上游的二氧化碳收集和凈化產業(yè)、酶制劑產業(yè)、能源供應產業(yè) ；下游的食品加工、材料制造等產業(yè)。

2. 形成完整的產業(yè)技術標準和規(guī)范體系，促進產業(yè)健康發(fā)展。

產品多元化

淀粉種類：

1. 不僅僅局限于常見的淀粉類型，能夠合成具有特殊結構和功能的新型淀粉品種，滿足不同行業(yè)的特殊需求。

2. 可以根據(jù)不同的應用場景（如食品的不同口感、工業(yè)材料的不同性能要求等）定制化合成淀粉。

產品拓展：

1. 除了淀粉本身，以淀粉為基礎的衍生產品的開發(fā)和合成，如淀粉糖、糖醇等。

2. 結合其他技術生產復合產品，如淀粉 - 蛋白質復合材料等。

應用領域拓展

食品領域：

1. 逐步替代部分傳統(tǒng)淀粉在食品中的應用，保障食品供應穩(wěn)定性，特別是在一些特殊時期或地區(qū)。

2. 為食品研發(fā)提供新的素材和方向，比如開發(fā)新型的高淀粉含量的健康食品。

工業(yè)領域：

1. 在生物可降解材料領域占據(jù)重要地位，成為主要的原料供應源。

2. 推動造紙、紡織、膠粘劑等行業(yè)的技術革新和產品升級。

農業(yè)領域

1. 減少對傳統(tǒng)農業(yè)種植淀粉作物的依賴，釋放更多土地用于其他生態(tài)功能或種植其他高附加值作物。

2. 可以在極端環(huán)境（如太空站、沙漠基地等）中實現(xiàn)淀粉的生產，支持特殊場景下的農業(yè)需求。

能源與環(huán)保領域

碳減排貢獻：

1. 更大規(guī)模地利用二氧化碳，為全球碳減排目標作出顯著貢獻，可能在未來碳交易市場中發(fā)揮更大作用。

2. 與可再生能源技術深度融合，構建綠色、可持續(xù)的能源 - 物質轉化體系。

可持續(xù)發(fā)展：

1. 減少對水資源等的消耗和對環(huán)境的污染，助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。

2. 推動循環(huán)經濟發(fā)展，例如利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成淀粉后再循環(huán)進入生產生活。