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| 本文作者： 我在思考中 | 2021-09-26 10:25 |
我們總是擅長用發展的辦法來解決發展中的問題。長遠來看，這一技術屬于生物合成領域的里程碑式的突破進展，具有極強的工業潛力，也是宇宙星際移民必備技術。
從左至右：喬婧科研助理、蔡韜副研究員、馬延和研究員、朱蕾蕾研究員、孫紅兵科研助理。圖源：新華社。
今天，我國科學家轟動科技界的一項大研究出世：二氧化碳到淀粉的人工合成技術。這不僅是人類首次找到了替代植物光合作用獲取淀粉的方法，還為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現的技術路線提供了一種新思路。
多位中外專家評論認為，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淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。這更讓人們看到一種可能——農業可以由種植模式向工業車間生產模式轉變，人類向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎。
如果未來二氧化碳人工合成淀粉的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，推動形成可持續的生物基社會，提高人類糧食安全水平。
這項成果的意義還不止于此，它也意味著，繼上世紀60年代中國首次人工合成了結晶牛胰島素后，我國科學領域迎來的第二次巔峰突破！
牽一發而動千鈞，在科技向善的每一個步伐上，一切事物內涵的好壞興廢、生物間的淵源發展及親疏都關系到國家系統工程的推進。這一研究成果也終于在今天回應了習總書記兩年前的講話，要在推動美麗中國建設的偉大進程中，追求人與自然和諧，山巒層林盡染，平原藍綠交融，城鄉鳥語花香。這樣的現代化建設，既能帶來美的享受，也是人類走向未來的依托。
在新千年，我們曾展望：21世紀將是生命科學的時代。時至今日，我們遙看未來之中國、未來之世界，心有澎湃，也更有底氣。
在成果背后，是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的聯合攻關，6年深耕，創制了一條利用二氧化碳和電能合成淀粉的人工路線。
中國科學家在淀粉人工合成方面取得的重大顛覆性成果，也獲中外同行專家高度評價，認為這是典型的0到1原創性突破，是擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”，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，而且對全球生物制造產業的發展具有里程碑式的意義，將在下一代生物制造和農業生產中帶來變革性影響。
能量轉化效率從自然的2%到人工的10%
植物之所以被稱為食物鏈的生產者，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物并且貯存能量。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物及細菌所貯存的能量。對于生物界的幾乎所有生物來說，這個過程是它們賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循環，光合作用是必不可少的。
歸根到底，我們吃的食物是植物通過光合作用生產的。而光合作用極簡化之后，就是以綠色植物為反應平臺，以太陽能為能量，經過一系列生化反應，將空氣中的二氧化碳（無機碳）以及水轉化為碳水化合物（有機碳）并釋放氧氣的過程。
其中最重要的也是限制性的因素就是反應平臺（植物），關系到碳水化合物轉化的數量及效率。我們農業種糧食，本質都是為了提供光合作用的"反應平臺"。比如保護耕地增加種植面積，是為了增加"反應平臺"的數量；培育高產品種是為了提高"反應平臺"的轉化效率。而搭建植物這個反應平臺是個"漫長"且困難的過程，從播種到收獲，會經歷幾個月到幾年的時間，還會受很多非人為因素的影響，如適宜生長的環境（溫度、光照、水分、土地養分等），病蟲害、自然災害等。
在這些難以完全可控的因素背后，中國有像袁隆平一樣的水稻專家，致力于農作物的豐產擴種，解決世界糧食短缺問題；也有像馬延和一樣的生物科學研究員，完全跳出光合作用的路徑，采用了純工業的手段來搭建"反應平臺"。
植物的生存反應環境，涉及到模擬葉綠體的環境、各種膜系統、各種酶，在植物體內，這個過程涉及大約 60 步生化反應、復雜的生理調節，理論上總體能量轉換效率在 2% 左右。由于光合作用的過程極為復雜，人工光合作用的研究一直進展不大。而在人工合成淀粉技術中，耕地、氣候等限制因素基本排除，理論上只要原料和能量充足，在各種環境下就能穩定生產淀粉（食物）。
天津工業生物所聯合中科院大連化學物理研究所的研究者設計了一條利用二氧化碳和電解產生的氫氣合成淀粉的人工路線。這條路線僅涉及 11 步核心生化反應，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。
"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淀粉中的化學能。"馬延和解釋。
可如何更高效的將光能轉變為化學能？模擬和借鑒自然過程，構筑新的人工光合途徑，科研人員想到了光能—電能—化學能的能量轉變方式，首先通過光伏發電將光能轉變為電能，通過光伏電水解產生氫氣，然后通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，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。于是，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數據中設計出了一條僅包含10步主反應的甲醇到淀粉的人工路線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淀粉。
具體來看，研究者創建的新路線是通過「搭積木」的方式建立的，他們整合了化學和生物的催化模塊，以生物技術創新的方式利用了高密度能量和高濃度二氧化碳。研究人員解決了底物競爭、產物抑制和熱力學適應等問題，使用空間和時間分隔系統地優化了這種混合系統。
人工合成淀粉的路線圖 論文鏈接：DOI：10.1126/science.abh4049
簡單來說，反應過程就是：
CO2→C1 (分子內1個碳原子的有機物) →C3→C6→Cn (即淀粉)，從無機物到有機物的過程是第一步。
團隊對ASAP (artifical starch anabolic pathway,人工淀粉合成路線)進行了多次迭代：
ASAP1.0解決有和無的問題， 上面鏈條的每一步都有多種不同的路徑選擇，最終選擇了CO2→甲醇的這條路線。
ASAP2.0優化了反應效率
ASAP3.0 (最終版)將化學反應(CO2氫化)和后續的生物酶反應結合起來
ASAP3.1: 在最后一步使用了從Vibrio vulnificus (一種弧菌) 中獲得的酶(Starch Branching Enzyme)來生成更接近現實中淀粉結構的直鏈-支鏈淀粉比例。
不過需要注意的是，目前這個合成路線還是實驗室階段, ASAP3.0的生產效率是410mg/L/小時。同時反應中使用了大量生物酶，對于反應條件的要求會比化學催化劑更加苛刻。
人造淀粉合成代謝途徑的設計和模塊化組裝
和標準天然淀粉對比，人工合成的淀粉的結構基本一致。無論是吸收峰，還是核磁共振信號，都佐證了這種合成和天然淀粉非常接近。下圖是合成的淀粉實物圖。
按照目前的技術參數，在能量供給充足的條件下，1 立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于 5 畝土地的玉米淀粉年平均產量，為淀粉生產的車間制造替代農業種植提供了一種可能。此外，根據報道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率約為2%（玉米），而工業合成效率可以達到10%以上。
1，合成實驗是酶化學，不是全化學合成。但酶既昂貴，反應條件又異常苛刻，反應溫度調整一兩攝氏度結果懸殊。如果是全化學合成，或許可以通過加大投料、提高反應溫度和反應裝置壓力等方式提高反應速率，但酶化學反應變動幅度大。
2，反應需要二氧化碳和氫氣。氫氣在當前很貴且存在儲運難度，大規模應用的階段必須解決氫氣來源問題。
3，反應所需的“能源充足”基本上是個偽命題。根據文章中1立方米反應器相當于5畝玉米田淀粉產量的數據，能量消耗應該不小。目前，用這項技術生產淀粉的總成本遠高于通過農作物生產同樣多的淀粉。
總之，目前這一成果尚處于實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離。據介紹，科研人員正在針對工業化的問題進行攻關，比如解決酶的穩定性、活力、成本等問題，探索多條技術路線等，預計未來5到10年能夠建立起工業化示范裝置。
但技術背后意味著什么？論文一作蔡韜解釋，這一成果為從二氧化碳到淀粉生產的工業車間制造打開了一扇窗。有了人工工業合成淀粉的能力，糧食問題、耕地、生態以及氣候問題都可以得到很好地解決。
秋分已至，農民豐收節在昨，我們不約而同地想起袁老，或許正是因為傳統農業的生生不息和沉甸甸的豐收喜悅，我們未曾忘記那些凝視風雨和土地的人。在今天，我們對馬老師團隊同樣報以敬佩，對科技的生命力投以抱負，首先認同的就是這一代大國工匠的堅韌品質，以及在經濟結構換擋升級中穿云破霧的思想力量。
“后續，研究團隊還需要盡快實現從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。"中科院副院長周琪表示，中科院將集成相關科技力量，一如既往地支持該項研究深入推進。
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