南大门视界讯 9月24日凌晨，我国科学家发表了一项被誉为“人工合成淀粉”的科技成果，只需要提供二氧化碳、水和阳光，经过11步的生物化学反应之后，就可以人工合成淀粉，并且产量喜人，1立方米空气产量堪比5亩玉米地，这刷新了大众的认知。

我们空气中就有很多二氧化碳，而淀粉又是人类最重要的营养物质之一，我们吃的馒头、米饭等主食里，主要的成分就是淀粉。

所以有人就半开玩笑的说，这是不是意味着，以后我们可以不用种粮食了，只要“喝西北风”就能喝到饱了？那大批农民是否将失业？

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。

据介绍，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下称天津工业生物所）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。

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

“向前推进一大步”的突破

淀粉是粮食最主要的成分，也是一种重要的工业原料。人工合成淀粉是科技领域一个重大课题，吸引了多国科学家深入探索，但一直未取得实质性重要突破。

论文通讯作者、中科院天津工业生物所所长马延和介绍，此次研究中，科研人员用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

相比而言，自然界的淀粉合成依赖植物光合作用，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控。

论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬介绍，实验室初步测试显示，人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，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。

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。

为“细胞工厂”打开一扇窗

从分子生物学到合成生物学，科技进步已经让酶的定向改造日益成熟，并广泛应用于食品生产、疫苗开发、农业病虫害防治等领域。理论上，大多数食品和石油化学品都可以借助合成生物学技术制得。

不依赖传统农业种植，人工“制造”粮食——瞄准“农业工业化”这一远景，多国科学家各显身手，展开攻关。

“为未来的‘细胞工厂’打开了一扇窗。”对于此次研究的应用前景，蔡韬打了一个比方：人工合成淀粉的新反应途径相当于汽车发动机，酵母细胞相当于汽车底盘，下一步要把发动机放到底盘上安装好，对酵母细胞进行系统设计与改造，搭建一个淀粉合成的“细胞工厂”进行规模化生产。

不过，“细胞工厂”生产粮食的希望实现之前，科学家还需先攻克多重难关。

“我们目前对很多生命过程的理解还不到位。”马延和说，未来搭建“细胞工厂”面临着人工生命设计、合成、调控等诸多基础科学挑战，需要化学、物理、工程等学科与生物学的长期交叉研究。

此外，要让人工合成淀粉与农业种植相比具有经济可行性，也需要一个艰难、持续的科技攻关过程。

中科院副院长周琪表示，这一成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有很长的距离，后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

针对重大需求开展基础研究

“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，合成生物被专门列入科技前沿领域攻关的范畴。

据了解，经科技部批准，天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标，一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题，另一方面要推动成果走向产业应用，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

“这是针对重大应用目标实现中的瓶颈科技问题开展基础研究。”中国科学院院士赵国屏评价。

在科学家眼里，人工合成淀粉未来如果进入实际应用，不仅能节约耕地和淡水资源、进一步保障粮食安全，还将带来诸多想象空间。

中国科学院院士康乐认为，人工合成淀粉过程中“抓”住的二氧化碳，若能远多于排放的二氧化碳，就可以进一步挖掘潜力，为碳达峰碳中和作出更大贡献。

中国工程院院士岳国君举例说，人工合成淀粉的中间产品，比如葡萄糖，可发酵生产醇、酸、酮等平台化合物，广泛用于生产塑料、纤维和橡胶。

“在社会重大需求中提炼科学问题，在回答科学问题中取得重要突破，这就是我们要做的基础研究。”周琪说。

编者记

重要的科学发现往往要经过几年甚至几十年，才会对世界产生深远的影响。当面对一项新的科学突破时，不妨从容耐心一点，既不要盲目乐观过分解读，也不必妄自菲薄嗤之以鼻。虽然这项技术的问世对于世界来说都意义深远，但与此同时，我们也要意识到，这项技术目前仍处于实验阶段，距离大规模使用还有一定的距离。但我们要坚定信心，这项技术投入使用的时间离我们一定不会太远！