種糧食，種糧食……過去，糧食必須在土地裡種植。但某些科幻作品裡，糧食則是通過工廠裡的機器加工而成，甚至有人認為未來的人類可以以空氣為食。如今，這個幻想逐漸變成現實。

澱粉的重要性似乎不言而喻，我們生活的方方面面都涉及到澱粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服……它是食物中最重要的營養成分，是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，提供全球超過80%的卡路裡。同時也是重要的飼料組分和工業原料。如果生産了近20億噸谷物糧食，其中約12億-14億噸是澱粉。

一般而言，澱粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成。但通過光合作用生産澱粉的過程存在能量利用效率低、生長周期長的特點。例如玉米等常見農作物在将二氧化碳轉變為澱粉的過程中，涉及60多步的代謝反應和複雜的生理調控。在這個過程中，太陽能的理論利用效率不超過2%。并且，農作物的種植通常需要數月的周期，期間還需要大量的土地、淡水、肥料等資源。

科學家們很早就開始思考：如果不依靠植物，不去種地，是否也可以獲得澱粉？如果糧食由土地種植轉向工廠制造，人類不需要靠天吃飯，糧食危機還會存在嗎？如果人類可以将二氧化碳能“變成”澱粉，那麼全球變暖的危機會消失嗎？

科研人員一直希望改進光合作用這一生命過程，通過提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率，最終提升澱粉的生産效率。

但實現這一目标，并不是一件容易的事。人工合成澱粉涉及合成生物學，被公認為是影響未來的颠覆性技術。模拟自然作物光合作用，重新設計生命合成代謝過程，設計人工生物系統，不依賴植物種植進行澱粉制造，存在着很多不确定因素，特别是科學問題複雜、技術路線不清、瓶頸問題難測。這就需要人們在科學研究上大膽實踐、勇闖“無人區”。

2015 年，國際納米材料科學家楊培東構建出了一套“人工光合作用”系統，通過納米線和細菌組成的系統，模拟自然界的光合作用，把二氧化碳和水轉變成碳水化合物。2018 年，美國國家航空航天局（NASA）發起了名為“二氧化碳轉化挑戰賽”的“百年挑戰計劃”，希望能将火星上最充足的資源——二氧化碳，轉化成葡萄糖等有用的化合物，以滿足人類在火星上生存和生活所需。這些研究都為人工合成澱粉技術打下基礎。

2021年9月24日，中國科學院天津工業生物技術研究所（以下簡稱天津工業生物所）在國際學術期刊《科學》發表論文《 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》，表示研究團隊在人工合成澱粉方面取得重大突破性進展，首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的合成。他們提出了一種颠覆性的澱粉制備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解産生的氫氣為原料，成功生産出澱粉，使澱粉生産從傳統農業種植模式向工業車間生産模式轉變成為可能。

從 2015 年開始，天津工業生物所科研團隊啟動了人工合成澱粉項目。他們的整體設計思路是将熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來作為原料，将低密度太陽能轉化為高密度電/氫能作為能源，形成簡單的碳氫化合物，然後設計出從碳氫化合物到澱粉的生物合成過程。

受天然光合作用的啟發，天津工業生物所的科研人員在太陽能分解水制綠氫的技術上，進一步開發高效的化學催化劑，把二氧化碳還原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物，完成了光能-電能-化學能的轉化。該過程的能量轉化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率（2%），也為後續進一步采用生物催化合成澱粉奠定了理論基礎。

科研人員用“搭積木”的思維，解決一系列适配性問題。因為人工合成澱粉的最大挑戰在于，天然澱粉合成途徑是通過植物數億年的自然選擇進化而成，各個酶都能很好地适配協作。而人工設計的反應途徑，卻未必能像植物那樣完美實現。為了解決酶的适配問題，基于每個模塊終産物的碳原子數量，科研人員采用模塊化思路，将整條途徑拆分為4個模塊，分别命名為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）模塊。每個模塊的原料和産物都是确定的，但是可有多種反應過程。科研人員要做的，就是找到4個模塊最佳的組合方式。

在解決了熱力學不匹配、動力學陷阱等問題後，科研人員對各模塊進行不斷測試、組裝與調整，最終成功實現了人工澱粉的實驗室合成。該途徑包含了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑。在此基礎上，科研人員采用蛋白質工程改造手段，對其中幾個關鍵限速步驟進行改造，解決了途徑中的限速酶活性低、輔因子抑制、ATP競争等難題，進而讓生物酶催化劑的用量減少了近1倍，澱粉的産率提高了13倍。随後，科研人員通過化學法，使二氧化碳進一步還原生成甲醇的反應偶聯（由兩個有機化學單位進行某種化學反應而得到一個有機分子的過程），再進一步通過反應分離優化，解決了途徑中的底物競争、産物抑制、中間産物毒性等問題，澱粉的産率又提高了10倍，并可實現澱粉的可控合成。該人工系統将植物澱粉合成的羧化-還原-重排-聚合以及需要組織細胞間轉運的複雜過程，簡化為還原-轉化-聚合反應過程。公開資料表明，該系統從太陽能到澱粉的能量效率是玉米的3.5倍，澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。

具體的實驗過程如下：

研究團隊利用化學催化劑将高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成一碳化合物(C1)，然後通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚糖反應原理将碳一化合物聚合成三碳化合物(C3)，最後通過生物途徑優化，将三碳化合物又聚合成六碳化合物(C6)，再進一步合成多碳化合物（Cn)。這條路線涉及11步核心生化反應，澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。

研究團隊利用甲醛酶（fls）從候選C1中間體設計和構建澱粉合成途徑的酶促部分，使用組合算法從甲酸或甲醇中起草了兩條簡明的澱粉合成途徑。原則上，澱粉可以通過CO2與甲酸或甲醇作為C1橋接中間體的九個核心反應來合成（圖1，内圈）。具體來說，C1模塊（用于甲醛生産）、C3模塊（用于3-磷酸d-甘油醛生産）、C6模塊（用于d-葡萄糖6-磷酸生産）和Cn模塊（用于澱粉合成）。但通過檢索和模拟，研究者發現節能但在熱力學上不利的C1模塊産生的甲醛可能無法為C3a模塊中fls的關鍵反應提供材料。

因此，他們構建了具有熱力學上更有利的反應級聯反應的替代C1模塊。在熱力學上最有利的C1e模塊成功地與C3a模塊組裝在一起，并從甲醇中獲得了顯着更高的C3化合物産率。在計算途徑設計的幫助下，通過組裝和替換由來自31個生物體的62種酶構成的11個模塊，研究團隊建立了人工澱粉合成代謝途徑（ASAP）1.0，其中有10個以甲醇為起始的酶促反應（圖1，外圓）。ASAP1.0的主要中間體和目标産物通過同位素13C标記實驗檢測到，驗證了其從甲醇合成澱粉的全部功能。

在建立ASAP1.0之後，研究團隊試圖通過解決潛在的瓶頸來優化這條途徑。首先，由于其低動力學活性，酶fls在ASAP1.0中占總蛋白質劑量的約86%，以維持代謝通量并将有毒甲醛保持在非常低的水平。定向進化增加了fls催化活性，産生了變體fls-M3，其活性提高了4.7倍。圖2B-D表明變體fbp-AR在AMP變構位點包含兩個突變，可減輕ADP抑制并顯著改善DHA的G-6-P産生。三種核苷酸對fbp和fbp-AR的抑制模式分析表明ATP或ADP是系統抑制的決定因素。通過将fbp-AR與報道的對G-6-P具有抗性的變體整合，組合變體fbp-AGR實現了進一步的改進。考慮到dak和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(agp)之間的ATP競争，因為底物DHA及其激酶dak的增加導緻前4小時内澱粉産量異常降低（圖2A）。作者證實DHA和dak的共存通過Cnb嚴重抑制了澱粉合成（圖2E）并輸出DHA磷酸鹽（DHAP）作為澱粉的主要産物（圖2F，第一列），這證實了dak競争性地消耗了大部分ATP。作者沒有減少dak的用量，而是嘗試增強agp的能力。根據報道的氨基酸置換，并且這些變體顯示出與dak的增強競争（圖2F）。最好的變體agp-M3成功地将DHA的澱粉合成增加了大約六倍（圖2G）。

通過使用這三種工程酶（fls-M3、fbp-AGR和agp-M3），研究團隊構建了ASAP2.0，它在10小時内從20mM甲醇中産生了約230mgl-1直鍊澱粉。與ASAP1.0相比，ASAP2.0的澱粉生産率提高了7.6倍。

在ASAP2.0中取得上述成功後，研究團隊通過先前開發的無機催化劑ZnO-ZrO2将酶促過程與CO2還原相結合，進而從CO2和氫氣合成澱粉。由于CO2加氫的不利條件，研究團隊在ASAP3.0中開發了具有化學反應單元和酶促反應單元的化學酶促級聯系統。為了滿足fls對高濃度甲醛的需求并避免其對其他酶的毒性，他們進一步用兩個步驟操作酶促單元（圖3A）。為了從CO2合成澱粉，研究團隊在ASAP3.1中引入了來自創傷弧菌的澱粉分支酶(sbe)。該設置在4小時内産生了約1.3gL-1澱粉（圖3A）。合成澱粉在碘處理後呈紅棕色，吸收最大值與标準直鍊澱粉相當（圖3B）。合成的直鍊澱粉都表現出與其标準對應物相同的1到6個質子核磁共振信号（圖3C、3D）。

那麼人工合成的澱粉，和自然澱粉一樣嗎？

在外觀上，人工合成澱粉跟從玉米、薯類等農作物中提純出來的澱粉看起來是一樣的。科研人員對澱粉的基本判斷方法是在溶液中加碘液，直鍊澱粉遇碘呈藍色，支鍊澱粉遇碘呈紫紅色。此外，他們還專門對合成物進行了理化分析。通過核磁共振等檢測，它和自然生産的澱粉一模一樣。

在口感上，如果把人工合成澱粉做成面條、粉絲，大概會像意大利面那樣勁道。因為自然澱粉是一種植物多糖，是由幾百到幾千個葡萄糖單體脫水縮合而成，一般由直鍊澱粉和支鍊澱粉混合組成。直鍊澱粉可溶于熱水，分子量比支鍊澱粉小；支鍊澱粉不溶于冷水，與熱水作用會形成漿糊，分子量比直鍊澱粉大。目前實驗室裡合成的主要是直鍊澱粉，合成的支鍊澱粉沒有自然澱粉中的支鍊澱粉那麼複雜。

該論文的通訊作者、天津工業生物技術研究所研究員馬延和認為這項成果為從二氧化碳到澱粉生産的工業車間制造打開了一扇窗，如果未來該系統過程成本能夠降低到與農業種植相比更具有經濟可行性，将會節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展，推動形成可持續的生物基社會。

人工合成澱粉成功的消息轟動全球。這一突破得到該領域一批國際知名專家的高度評價。德國科學院院士曼弗雷德·雷茲表示，将二氧化碳固定并轉化為有用的有機化學品是一項重大的國際挑戰，本項工作将該領域研究向前推進了一大步。美國工程院院士延斯·尼爾森表示，這是利用合成生物學解決當今社會面臨的若幹重大挑戰的驚人案例，将為日後更多相關研究鋪平道路。中國工程院院士陳堅表示，這個工作是典型的“0到1”的原創性成果。神戶大學副校長近藤昭彥表示，這項研究成果将對下一代生物制造和農業發展帶來變革性影響。

可能有人會問，為什麼全球科學家都很關注這個結果？為什麼一定要對光合作用“逆天改命”？我們可以從兩個角度進行簡單地分析。

第一，它給我們解決“糧食危機”提供了一條新道路。

在此之前，人們隻能依靠種植的方式的收獲食物，由于種植方式耗時長、收獲有限，所以“四海無閑田，農夫猶餓死”，全球仍有超過1億人處于嚴重饑餓狀态。而人工合成澱粉的科學成果，将為農業生産帶來重大變革。人類可以不依賴光合作用，合成澱粉，生産各種各樣的材料和食物。在實驗室裡，人工光合作用的能力得到了進一步擴展，使澱粉生産的傳統農業種植模式，向工業車間生産模式轉變成為可能，為二氧化碳原料合成複雜分子開辟了新的技術路線。

可以大膽設想，當“二氧化碳制澱粉”技術被工業化運用後，未來澱粉的生産将通過類似“啤酒發酵”的模式，有可能在車間實現按需定制生産，變革傳統農業種植獲取的生産方式。而當二氧化碳制澱粉的生産工業車間，一旦具有經濟可行性，将有可能會節約90%以上的耕地和淡水資源。

第二，緩解溫室氣體造成的氣候危機。

曾經，農田是“碳源”。化肥、農藥、農膜等農業物料的生産中會排放大量的二氧化碳；耕田農耕農業機械的運用及農業灌溉将耗費化石燃料，源源不斷地向大氣中排放二氧化碳。如果能利用可再生能源産生的電能，将二氧化碳分子轉化為甲醇、甲酸等，不僅可将可再生能源以化學能的形式轉化和存儲，還能降低大氣中二氧化碳的濃度，緩解全球氣候變暖、海洋酸化等問題，是一種能同時實現碳循環利用和可再生能源存儲的有效途徑。

按照這樣的設想，未來人類可以進一步優化種植業結構，減少資源高消耗、化學品投入大的農作物種植，由單一農産品供給功能向增加碳彙、保護生态環境的功能轉變。利用可再生資源産生的電能，實現了從溫室氣體二氧化碳再利用到糧食核心成分澱粉合成的跨越式發展，實現“有電就有糧”。

盡管在實驗室内取得成功，但專家們坦言，目前人工合成澱粉從實驗室走向工廠仍是“路漫漫其修遠兮”。

天津工業生物技術研究所副研究員蔡韬表示，實驗室裡合成出澱粉大約需要 4 個小時。但目前在實驗室裡，規模還比較小，平均 1 小時能合成出的澱粉隻有幾克。但是按照目前的技術參數，在能量供給充足的條件下，1 立方米的生物反應器年産澱粉量相當于 5 畝土地玉米種植的澱粉平均年産量，這為澱粉生産的車間制造提供了可能。

但他也承認人工合成澱粉技術在産業化應用面臨很大的挑戰。一方面， 在工程生物學基礎理論和工程設計方面還有問題要解決；另一方面，就經濟性而言，從控制過程成本初步計算，隻有二氧化碳到澱粉合成的電能利用效率再提高數倍，澱粉合成的碳素轉化速率再提高數十倍，才能與農業種植競争。

這種成果從實驗室走進工廠的距離是驚人的，人工合成澱粉隻是初步把路徑走通了，但還要考慮到成本核算的問題，目前看，成本降到能和自然生産澱粉差不多的水平還非常難。

未來人工合成澱粉的挑戰在于細胞外合成考驗各種酶的穩定性。如何做好各種酶的分離純化，酶如何在細胞外保持活性，如何應對合成中的每一步後酶的活力下降……這些問題都需要在細胞外得到解決。合成澱粉的步驟較多，目前成本是很高的，也是工業化不能接受的。合成澱粉的另一個難題，是随着分子量的不斷上升，葡萄糖不斷被整合在高分子澱粉鍊上，黏度會越來越大，聚合的難度也會越來越高，人工合成澱粉也将可能聚合不到分子量特别高的澱粉。從分子量的角度看，人工合成澱粉和常見的澱粉還有一段距離。

而這項技術在減碳領域的應用還需要時日。因為二氧化碳非常穩定，打開化學鍵必須外輸能量。二氧化碳合成有機物的轉化過程，需要氫氣，也必須是綠電制備的綠氫。所以成本非常高。

雖然困難很多，但從0到1的第一步已經邁出了。天津工業生物技術研究所的團隊計劃在未來 5 至 10 年内，建立工業示範，以工業尾氣為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成澱粉。并且希望與相關研究所、大學和企業等創新力量加強合作，推進人工合成澱粉工程化進程。

“中國科學院将集成相關科技力量，一如既往地支持該項研究深入推進。”中國科學院副院長、中國科學院院士周琪表示，後續研究團隊還需要盡快實現從“0 到 1”到“1 到 10”的突破 和“10 到 100”的突破，最終真正解決人類發展面臨的重大問題。

作者：和卓琳

文字審核：柏雙玲

科學性審核：阮光鋒　科信食品與營養信息交流中心科學技術部主任

[1]Cai,Tao,etal.Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide[J].Science(AmericanAssociationfortheAdvancementofScience),2021:373(6562),1523-1527.

[2]武威.人工合成澱粉背後從實驗室走向工廠還有漫漫征途[J].中國食品工業,2021(19):88-91.

[3]吳月輝.實驗室裡“種”澱粉[J].決策探索(上),2021(10):75-76.

[4]孫紅兵,蔡韬,王欽宏. 二氧化碳變澱粉：這不是魔術[N]. 解放軍報,2021-10-22(011).

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