从0到1的突破！

　　设想一下，不需要种地，也不需要绿色植物，以太阳光、水和二氧化碳为原料，在工厂里就可以像植物一样源源不断生产出淀粉。是不是很神奇？而今，这看似遥不可及的一幕，在不久的将来，有望实现。

　　近期，中科院天津工业生物技术研究所传来喜讯：经过6年技术攻关，科研团队在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

　　不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳，合成淀粉，这一被国际学术界认为将是影响世界的重大颠覆性技术，究竟有何厉害之处？其突破，又有何科学意义和现实意义？记者就此采访了论文的作者及相关专家。

　　突破瓶颈

　　中国人偏重碳水饮食，清代美食家袁枚曾在《随园食单》中这样写道，“粥饭本也，余菜末也”，足见国人对碳水的宠爱。这里所说的碳水即碳水化合物，由碳、氢、氧组成，是人类生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物，它是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分，是养活全球人口最重要的食物原料，同时也是重要的工业原料。

　　多少年来，农作物通过光合作用，将水、二氧化碳等无机化合物合成可作为动物饲料和人类食物的糖类乃至淀粉等碳水化合物，是地球上最重要的生物化学反应过程。但这是效率最高的淀粉生产方式吗？答案是否定的。

　　根据论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和提供的数据，在玉米等农作物中，将二氧化碳转变为淀粉，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，太阳能的利用效率不足2%。“植物经过亿万年进化，适应了自然环境，其固有属性制约了淀粉高效合成。”马延和称。

　　有没有一种办法能够摆脱植物来合成淀粉？自合成生物学诞生以来，人们就开始尝试人工构建非自然途径，实现二氧化碳到淀粉的转化，以突破植物媒介光合作用的瓶颈。但是，因为技术路线不清、瓶颈问题难测，这条科研之路存在很多不确定性。

　　马延和等人还是决定勇闯“无人区”。2015年起，天津工业生物所在中国科学院重点部署项目和天津市财政专项的支持下，立项开展二氧化碳合成淀粉的研究。

　　6年鏖战，研究团队终于如愿以偿。论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬兴奋地说：“我们拿合成淀粉与自然界中的淀粉比较，得到核磁结果是一模一样的，可以说，合成淀粉实际上与自然的淀粉是没有区别的。”

　　这意味着什么？数据显示，2019年，全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全，占世界总人口近十分之一。“即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料甚至饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献。”马延和表示。

　　技术路径

　　用二氧化碳人工合成淀粉，这项颠覆性技术是如何炼成的？马延和告诉记者，从能量角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。

　　可如何更高效地将光能转变为化学能？模拟和借鉴自然过程，构筑新的人工光合途径，科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式，首先通过光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电水解产生氢气，然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能，该过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率。

　　甲醇储存了来自太阳能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。于是，科研人员又利用合成生物学的思想，从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。