淀粉，属于一种白色无臭无味粒状或粉状的复杂多碳化合物，是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分，也是重要的工业原料。目前，人类主要通过农业种植来生产这种复杂多碳化合物。

如果现在告诉你，用一种气体就能直接合成淀粉，你会不会觉得不可思议？

不可思议的事真的变成了现实——近期，中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面，取得重大突破性进展：实现二氧化碳到淀粉的从头合成。这在国际上尚属首次，国内外诸多媒体纷纷报道了这一重磅消息。

为何尝试人工合成淀粉

粮食安全是国家安全的重要基础。为此，我国一直积极推进农业生物技术进步，从遗传杂交育种到分子设计育种，从转基因新品种培育到基因编辑技术育种，我们一直在追赶着国际科技前沿。

有没有可能“换道超车”——靠人工合成淀粉？其实，人们的这一想法由来已久。很早就有人琢磨，靠人工合成淀粉，即便是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料，也是件大好事。

实现这一目标，并非易事。人工合成淀粉涉及合成生物学，被公认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统，不依赖植物种植进行淀粉制造，存在着很多不确定因素。特别是科学问题复杂，技术路线不清，瓶颈问题难测。这就需要人们在科学研究上大胆实践、勇闯“无人区”。

我国科研人员怀着强烈的使命感，面向国家重大战略需求，担起了人工合成淀粉这一重任。

学习植物，科学解决两个问题

从二氧化碳到淀粉，也就是从一碳化合物到多碳化合物的过程。

自然界中，玉米等农作物淀粉的合成与积累，涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控。理论上讲，能量转化效率仅为2%左右。

怎样走好人工合成淀粉的路？

为此，科研人员设计了一条从一碳化合物到多碳化合物的新路径。

针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太阳能（10瓦/平方米）、生长周期长（3～4个月）、天然淀粉合成途径长（60余步）、催化效率低（需要关键酶RuBisco）等关键问题，科研人员加大实验创新力度，耦合化学催化与生物催化技术。他们充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势，设计和构建从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径。最终，在实验室里首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。

受天然光合作用的启发，科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上，进一步开发高效的化学催化剂，把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物，完成了光能-电能-化学能的转化。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（2%），也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础。

接下来，科研人员用“搭积木”的思维，解决一系列适配性问题——

人工合成淀粉的最大挑战在于，天然淀粉合成途径是通过植物数亿年的自然选择进化而成，各个酶都能很好地适配协作。而人工设计的反应途径，却未必能像植物那样完美实现。

为了解决酶的适配问题，基于每个模块终产物的碳原子数量，科研人员采用模块化思路，将整条途径拆分为4个模块，分别命名为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）模块。每个模块的原料和产物都是确定的，但是可有多种反应过程。科研人员要做的，就是找到4个模块最佳的组合方式。

在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后，科研人员对各模块进行不断测试、组装与调整，最终成功实现了人工淀粉的实验室合成。该途径包含了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂。

在此基础上，科研人员采用蛋白质工程改造手段，对其中几个关键限速步骤进行改造，解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题，进而让生物酶催化剂的用量减少了近1倍，淀粉的产率提高了13倍。

随后，科研人员通过化学法，使二氧化碳进一步还原生成甲醇的反应偶联，再进一步通过反应时空分离优化，解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题，建立了生化级联反应系统，淀粉的产率又提高了10倍，并可实现直链淀粉与支链淀粉的可控合成。

该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要组织细胞间转运的复杂过程，简化为还原-转化-聚合反应过程。公开资料表明，该系统从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

从认识自然到学习自然、超越自然

按照目前的技术参数，1立方米大小的生物反应器，年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量。这一成果，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。

工业车间制造淀粉一旦成功，与农业种植相比，将有机会节省超过90%的土地和淡水资源，而且可以消除化肥和农药对环境的负面影响。这对提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，具有重大意义。

不难想象，未来人类所需的淀粉，可利用空气中的二氧化碳作为原料，通过类似生产啤酒一样的过程，在生产车间制造出来。这将对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑意义。

该研究是科研人员从认识自然到学习自然、超越自然的过程。通过学习、研究自然光合作用，使用自然界存在的来源于不同动物、植物、微生物的酶进行理性组合设计，并且耦合化学催化、生物催化的各自优点，成为一个新型人工淀粉合成途径。

有关专家指出，虽然目前设计、创建超越自然的人工生物系统生产淀粉取得了突破性进展，特别是以二氧化碳作原料，在大自然中可谓取之不尽用之不竭，但诸如要使用大量起催化作用的酶等，会存在着成本问题、能源和资源利用效率问题，是不是比农作物生产更经济实用，这些都需要考虑在内，在进一步实验探索中作进一步验证。

可以说，走出实验室，以工业化生产淀粉，还有很长的路要走。人们期待着这一天的到来。

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