從0到1，中國科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉

出品：科普中國

制作：李雷

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

近期，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，國際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關(guān)工作于2021年9月24日發(fā)表于國際頂尖雜志《科學(xué)》。

淀粉是糧食的主要成分，難道說這項(xiàng)技術(shù)讓“喝西北風(fēng)”成為現(xiàn)實(shí)了？

突破二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)，對未來會產(chǎn)生哪些影響，到底有多重要？

我們先來看看官方的評價：
這是繼上世紀(jì)60年代在世界上首次完成人工合成結(jié)晶牛胰島素之后，中國科學(xué)家又在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

圖片來源：作者提供

這個合成最大的特點(diǎn)是：不使用細(xì)胞（cell-free）。在自然界中，通過光合作用，細(xì)胞可以將二氧化碳合成淀粉。

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但光合作用的問題是，必須要有葉綠體，對于地球上絕大多數(shù)生物來說，只有植物以及部分動物才能完成。

而這次研究的特點(diǎn)就是：純工業(yè)/實(shí)驗(yàn)室合成。

這個研究的路線圖如下

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簡單的說一下，這個實(shí)驗(yàn)的做法是：

首先將二氧化碳用無機(jī)催化劑還原為甲醇，然后將甲醇轉(zhuǎn)化成為三碳，接下來再將三碳合成六碳，最后，聚合成為淀粉。

和標(biāo)準(zhǔn)天然淀粉對比，其結(jié)構(gòu)基本一致。

無論是吸收峰，還是核磁共振信號，都佐證了這種合成和天然淀粉非常接近了

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下圖是合成的淀粉實(shí)物圖 （中國科學(xué)院科技攝影聯(lián)盟供圖）

人工合成淀粉的意義有多大？

我們從小往大來說：

1.步驟簡單

自然界中生物從二氧化碳合成淀粉，需要大約60個生化反應(yīng)過程，且需要復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)，而這次人工合成只需要11個步驟。

2.速度快，效率高

這次實(shí)驗(yàn)室合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。

這條新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植向工業(yè)制造轉(zhuǎn)變成為可能，為從二氧化碳合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

此外，根據(jù)報道，這個合成效率也高。自然界合成淀粉的效率約為2%（玉米），而工業(yè)合成效率可以達(dá)到10%以上。

3.遠(yuǎn)景

民以食為天，一直以來，農(nóng)業(yè)問題關(guān)乎人類的生死存亡。而采用這種合成辦法，可以解決農(nóng)業(yè)所需的耕地、淡水資源問題，也能夠避免農(nóng)藥和化肥等的使用，改善糧食安全。

我國的耕地面積為150多萬平方千米，占國土面積的16%左右，也就是說，不到五分之一。其余的國土面積都是不能作為耕地的，這也使得我國的糧食問題一直非常嚴(yán)峻。

有了這種技術(shù)，高山峽谷，沙漠，冰原，這些地方都可以成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)地。

圖片來源：veer圖庫

自古以來，我國的漕運(yùn)體系，需要非常忙碌的轉(zhuǎn)運(yùn)糧食等物資，而有了這項(xiàng)技術(shù)，很多沒有種植作物條件的地方也直接可以生產(chǎn)淀粉。

4.溫室問題，全球變暖

全球變暖可以說是這些年來一直困擾全人類的問題。

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造成全球變暖的核心因素在于二氧化碳這種溫室氣體。

工業(yè)生產(chǎn)，汽車排放等等都是導(dǎo)致二氧化碳增多的因素，雖然植物一直在持續(xù)固定二氧化碳，但還是比不上二氧化碳的排放。

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有了這項(xiàng)技術(shù)，可以直接把二氧化碳固定下來，這效率比農(nóng)業(yè)和植物快多了，那豈不是溫室氣體問題就可以解決了？

5.更遙遠(yuǎn)的未來

空間站，甚至走向宇宙有了保障。

過去我們預(yù)想中解決宇宙遠(yuǎn)行問題，有兩種方案：一是攜帶足夠多的糧食；其次是讓人類進(jìn)入冬眠來減少能量消耗。

但只要醒來，總需要糧食。

很多科幻都有外星人種田的場景，比如去火星種土豆的《火星救援》。

圖片來源：《火星救援》劇照

如果有了人工合成淀粉技術(shù)，那這些問題都可以得到很好的解決。甚至在不毛之地，只要有二氧化碳和相關(guān)材料，就可以直接合成淀粉。

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比如，火星大氣主要是二氧化碳，比例高達(dá)96%，那簡直是新的糧倉。

而且，二氧化碳本身還是人體代謝的廢物，可以直接循環(huán)起來。

6，一個問題：能量！

淀粉到二氧化碳，是一個逐步放能的過程。

然后葡萄糖再變成二氧化碳

而這一步相當(dāng)于逆流而上，必然需要能量。

那么，能量從何而來？

可能這就需要新能源，目前我國也在積極研發(fā)新能源，尤其是核能，希望50年能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變。

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需要強(qiáng)調(diào)的是，目前的研究成果還處于實(shí)驗(yàn)室階段，這項(xiàng)技術(shù)離應(yīng)用還早。

但這項(xiàng)技術(shù)是從0到1的突破，重要性是不言而喻的。就像當(dāng)初法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的時候，曾有一個貴婦人質(zhì)問他：“電有什么用呢?”

法拉第巧妙地反問道:“新生嬰兒有什么用呢?”