中国科学家揭秘“二氧化碳人工合成淀粉”
本文转自：广州日报
“种植农业植物来获取淀粉是人类的传统生存模式。与其说靠天吃饭，不如说我们是靠植物在生存。不依赖植物的光合作用来合成淀粉，是科学家长期以来的梦想。”
6月10日，在第十四届中国生物产业大会高层论坛上，中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和视频发表主旨演讲，揭秘了“二氧化碳人工合成淀粉”背后的探索路径。
过程：从1.0走到3.0，化学催化和生物催化成功实现耦合
为何要探索淀粉的人工合成？马延和介绍，淀粉是典型的有机物，传统以来，人们一直依靠植物获取淀粉来维持生存。但植物经过亿万年的进化，它适应了低密度太阳能和低浓度二氧化碳的自然环境，有其自身的生物属性。自然光的转化效率比较低，特别是从自然光到淀粉的理论转化含量不过2%，实际上就只有0.7%。同时植物的种植周期长，需要的面积大，消耗了大量资源，制约着农业的生产。
“植物合成淀粉的化学本质就是太阳能还原碳，然后逐步从简单的分子聚合到复杂分子的生化过程。”根据合成生物学的理念，马延和带领团队抽提植物淀粉合成的化学本质，从头设计淀粉合成的代谢途径，重构太阳能到淀粉化学能的能量传递路线，希望实现设计自然、超越自然的目标。
马延和首先按照还原、缩合、聚合简单反应的途径的概念，在计算机中去搜寻已知的生化反应，按照能量耗散最小，反应步骤最短，碳素损失最少的原则，从头来设计从二氧化碳到淀粉的人工合成途径，成功获得了1个只有9步反应的理论途径。
理论上设计好了，但现实中却没能合成淀粉。“所有需要的酶制剂已经全部获得，但是把这些酶丢进反应器，它并不能形成反应堆，形成淀粉的合成。”马延和只能和团队先针对每个模块来进行检测，发现每个模块都具有催化功能，但是组装之后没有功能，这说明模块之间是有问题。
经过反复的实验和艰苦的探索，马延和成功解决了模块之间热力学匹配的问题、代谢流平衡的问题以及附产物抑制的问题，将计算机计算设计的9步反应，重新设计成了11步的反应，实现了从碳液原料到淀粉的合成，跨越了生物功能，从虚拟的设计到现实实现的鸿沟。这个版本虽实现了淀粉的合成，但合成速率较低。
通过酶工程的系统改造，淀粉人工合成形成了2.0版本，提高了碳转化速率和效率，合成速度已接近了玉米合成速度的80%。“但还有关键的问题没解决，那就是二氧化碳还原能量输入的问题。”马延和说，这一问题里面有生物路线和化学路线的选择，“目前生物路线的努力还不足以满足后续路径对能量的需要，化学催化成为我们重要的选择。”
在中科院大连化物所李灿院士的支持帮助下，马延和团队努力进行化学催化和生物催化的耦合，其中所面临的挑战就是化学催化和生物催化的速率有很大的不匹配。“甲醛这些中间产物快速的积累会抑制后续的反应进行，所以我们对途径进行了充分的分区和优化，来消除甲醛的积累，成功实现了化学和酶化的耦合反应。”
至此，淀粉人工合成的3.0版本形成，过程是11步反应，4个小时可实从二氧化碳合成直链淀粉达1.63g/L，并可实现可控的支链淀粉的合成。经过核磁分析和吸收光谱的分析，人工合成淀粉的结构与自然淀粉的一致。
意义：淀粉人工合成高效快速，或成人类脱离自然食物链的开端
相对于交通出行而言，粮食生产的生产范式一直没有变化。“如果我们能以廉价的可再生碳源，通过车间制造来实现农业产品的生产，将会节约大量的土地和水资源以及消除对环境的影响。”马延和介绍，淀粉人工合成的途径和自然的植物合成相比具有步骤少、效率高、速度快等优势。“在能量充足供给的条件下，按照目前的技术参数，一吨的反应罐年产淀粉的量相当于5亩土地玉米种植的产量。”
马延和团队的工作成果发表后，得到了广泛关注。国外的报道将其称为人类脱离自然食物链的开端。国际上的重要学术期刊也认为这项工作以温室气体为原料，为制造粮食、食物和其他复杂产物提供了蓝图。
“这一工作也具有养活世界以及让人类在太空生存的潜力，是化学催化接力生物催化将二氧化碳转化为生命分子的案例。”马延和说，另外淀粉作为储能物质，如果有足够多、足够便宜的淀粉，将有望推进工业原料从化石原料向糖脂原料的转移，形成清洁循环可再生的工业体系。
马延和坦言，下一步还是面临着非常多的挑战，特别是化学催化和生物催化耦合的能效问题、酶蛋白催化剂的成本问题，以及多项反应的工程问题、途径问题都需要解决，还有一些能量损耗需要改善。“我们希望进一步提高理论能效和经济性，以及推进它的产业化进程。”
而从整个产业经济变革的方向来看，马延和认为生物经济是替代农业经济和工业经济的一条理想路线，也是社会经济可持续发展的需要。“通过生物技术方面的创新，推动生物经济的快速到来。可有望突破资源环境瓶颈的制约，建立应对社会经济安全发展人口持续增长的系统解决方案。”
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