設想一下，不需要種地，也不需要綠色植物，以太陽光、水和二氧化碳為原料，在工廠裡就可以像植物一樣生產出源源不斷的澱粉。是不是很神奇？而今，這看似遙不可及的一幕，在不久的將來，有望從夢想照進現實。

近期，中科院天津工業生物技術研究所與中科院大連化學物理研究所等院內外研究團隊聯合攻關，創制了一條利用二氧化碳和電能合成澱粉的人工路線——ASAP路線，在實驗室首次實現了從二氧化碳到澱粉的從頭全合成，也使澱粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。相關科學研究成果的論文24日線上發表於國際學術期刊《科學》。

“不依賴植物光合作用，設計人工生物系統固定二氧化碳，合成澱粉，將是影響世界的的重大顛覆性技術。”專家表示。

“當今世介面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境汙染等一系列重大挑戰，科技創新已成為重塑全球格局、創造人類美好未來的關鍵因素。”在中科院副院長周琪看來，二氧化碳的轉化利用與人工合成澱粉，正是應對挑戰的重大科技問題之一。

植物光合作用的瓶頸

中國人民偏重碳水飲食，清代美食家袁枚曾在《隨園食單》中這樣寫到，“粥飯本也，餘菜末也”，足見國人對碳水的寵愛。這裡所說的碳水即碳水化合物，由碳、氫、氧組成，是人類生存必不可少的元素。而澱粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物，它是麵粉、大米、玉米等糧食的主要成分，佔全球熱量攝入的 80% 以上，是養活全球人口最重要的食物原料，同時也是重要的工業原料。

多少年來，農作物透過光合作用，將水、二氧化碳等無機化合物合成可作為動物飼料和人類食物的糖類乃至澱粉等碳水化合物，是地球上最重要的生物化學反應過程。但這是效率最高的澱粉生產方式嗎？

根據論文通訊作者、天津工業生物所所長馬延和提供的資料，在玉米等農作物中，將二氧化碳轉變為澱粉，涉及約60步代謝反應以及複雜的生理調控，太陽能的利用效率不足2%。

“植物經過億萬年進化，適應了自然環境，其固有屬性制約了澱粉高效合成。”馬延和稱。

有沒有一種辦法能夠擺脫植物來合成澱粉？自合成生物學誕生以來，人們就開始嘗試人工構建非自然途徑，實現二氧化碳到澱粉的轉化，以突破植物媒介光合作用的瓶頸。

天津工業生物所自2015年起，即聚焦人工合成澱粉與二氧化碳生物轉化利用，開展需求導向的科技攻關。

構築新的人工光合途徑

“從能量角度看，光合作用的本質是將太陽光能轉化為儲藏在澱粉中的化學能。”馬延和解釋。

可如何更高效的將光能轉變為化學能？模擬和借鑑自然過程，構築新的人工光合途徑，科研人員想到了光能—電能—化學能的能量轉變方式，首先透過光伏發電將光能轉變為電能，透過光伏電水解產生氫氣，然後透過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉化為甲醇中儲存的化學能，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。

甲醇儲存了來自太陽能的能量，但是自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程。於是，科研人員又利用合成生物學的思想，從海量的生物化學反應資料中設計出了一條僅包含10步主反應的甲醇到澱粉的人工路線ASAP。

為將設計藍圖變為現實，科研人員還挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，最終優中選優，使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮，進一步轉化為六碳的磷酸葡萄糖，最終合成了直鏈和支鏈澱粉。

“這個合成過程涉及二氧化碳和氫氣的使用，該研究成果為我們未來透過工業生物製造生產澱粉這種全球性重要物質提供了新的技術路線。”《科學》雜誌新聞部執行主任梅根·菲蘭如是評價。

實際應用還有相當長距離

“這是‘道法自然’，實現人工光合作用合成澱粉的一種過程。”馬延和說，從科學突破角度看，這一人工途徑的澱粉合成，向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為建立新功能的生物系統提供了新的科學基礎。

從技術創新角度看，透過發展高效的人工催化劑和生物酶，研究團隊從6568個生化反應中設計形成固碳與人工合成澱粉新途徑。按照20%的光電轉化效率計算，這條化學、生物雜合的人工合成澱粉新系統，理論能量轉化效率可達7%，其澱粉合成速率比自然光合作用提高了3。5倍。

具體來說，這意味著什麼？論文第一作者、天津工業生物所副研究員蔡韜解釋，按照目前技術引數推算，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉產量（按我國玉米澱粉平均畝產量計算）。“這一成果為從二氧化碳到澱粉生產的工業車間製造打開了一扇窗。”

在江南大學原校長、中國工程院院士陳堅看來，食品生產大約佔據了全球40%的耕地，產生了25%的溫室氣體，作為最主要的糧食成分之一，澱粉的可持續供應是人類未來面臨的重要挑戰。這項研究成果將化學與生物的方法相結合，採用蛋白質工程和合成生物學等一系列新技術，從二氧化碳直接合成澱粉，完全顛覆了傳統的澱粉生產方式。這項研究工作是典型的從“0”到“1”的原創性成果，它不僅對未來的農業生產，特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義。

馬延和表示，如果未來該系統過程成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性，將有可能會節約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。

不過，他同時強調，目前該成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，且面臨著諸多挑戰。

“後續，研究團隊還需要儘快實現從0到1的概念突破到1到10和10到100的轉換，最終真正成為解決人類發展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。”周琪表示，中科院將整合相關科技力量，一如既往地支援該項研究深入推進。

作者：沈慧