沒有淀粉可以用什么代替，中國科學家用二氧化碳制造淀粉
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防走失，電梯直達安全島 。
報人劉亞東A
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來源：環球科學
作者：環球科學.
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圖片來源：新華社
最近，中國科學院的科學家進行了突破性的研究，通過一種比植物光合作用更有效的合成方法，將二氧化碳直接轉化為淀粉 。其淀粉合成速率甚至超過天然植物——，是天然植物的8.5倍 。
作者：這在國際上還尚屬首次，而這項研究的意義或許比我們認為的更加深遠 。|王一博 。
編輯|石
被小麥“馴服”的人類
公元前4000年左右，人類的身份發生了很大的變化，從在大陸遷徙的狩獵采集者變成了在固定地方定居的農民，原因是小麥等糧食作物馴化了人類 。這些農作物可以滿足人類的能源需求，這使得人類群體的數量越來越多 。
生物技術的發展，如雜交育種和基因編輯技術，幫助我們大大提高了作物的產量 。袁隆平院士經過幾十年的研究，首次成功改變了水稻自花授粉的特性，培育出了高產的優良雜交水稻，為解決全球糧食短缺問題做出了重要貢獻 。
在這些糧食作物能“產出”淀粉的秘密，其實遠比大家認為的復雜 。,的華北大部分地區，有一種說法是“夏有小麥，秋有玉米” 。人類在適宜的季節種植作物幼苗，經過艱苦的勞動過程收獲谷物 。對于植物來說，適當的光照、溫度和生長閾值可以使其葉片進行光合作用來固定二氧化碳 。在復合酶的控制下，經過60多次反應，二氧化碳最終轉化為淀粉，富含于種子中 。
然而，理論上，作物在自然環境中的光合作用效率只有2%左右，這意味著植物吸收的太陽能中只有2%左右用于將二氧化碳轉化為淀粉 。由于淀粉在生活和生產的各個方面都是不可或缺的，而目前淀粉的合成主要來源于農作物，這可能會加重農業壓力，因此有必要對合成淀粉的方法進行改進或重構 。
中國科學院天津工業生物技術研究所的研究團隊正在思考，如果不依靠植物，直接利用二氧化碳生產淀粉，或許可以減輕農業壓力 。最后，他們通過學習和模擬植物的光合作用來實現這個過程 。最近，在發表于他們開發了一種新的、具有顛覆性的人工合成淀粉的方法.在全球首次實現了從二氧化碳到淀粉的全合成《科學》的一項研究中
取代植物有多難？
包括人類在內的動植物之間有一個自然循環的過程 。植物通過光合作用固定二氧化碳，并產生能量和氧氣 。動物消耗能量和氧氣，產生二氧化碳，為植物的光合作用提供原料 。隨著二氧化碳導致的全球變暖日益加劇，科學家們開始試圖通過固定二氧化碳并將其轉化為有機物來緩解氣候危機 。
2018年，在《焦耳》 (Joule)發表的一篇綜述文章中，中科院幾位院士首次聯合提出了“液態陽光”的概念 ?！耙簯B陽光”是指利用太陽能、二氧化碳和水生產可再生的綠色燃料，包括甲醇和乙醇等 。獨立于植物 。這一過程有利于實現二氧化碳的資源化利用，促進碳中和目標的實現 。
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圖片來源：doi:10.1016/j. joule. 2018 . 08 . 016 。
相比之下，天津工業生物技術研究所的科學家研究的淀粉結構更加復雜 。它是一種高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖 。結構上也有直鏈和支鏈，人工合成比較困難 。為了實現從二氧化碳到淀粉的全合成，他們克服了許多困難 。
自然界中，植物可以通過光合作用合成淀粉，這是億萬年自然選擇的結果 。天然淀粉的合成機理非常復雜，包括還原、縮合、重排、聚合等化學反應過程 。每個過程還需要各種生物酶之間的精確協調與配合 。但這在人為調控時就難以實現了 。
此外，二氧化碳還原是一個慢過程,也就是說，二氧化碳轉化為只有一個碳原子的有機物，如甲醇，限制了后續轉化為淀粉 。
方向的反應 。我們知道，生物酶具有加快反應進程的能力，也就是促使簡單分子向復雜生物大分子的轉化；類似地，化學中的無機催化劑也能顯著降低反應需要的能量，從而提高反應的速率 。因此，研究人員想到，是否可以利用無機催化劑的催化作用，來提高第一步二氧化碳還原的反應速率？
僅11步反應路徑
對于二氧化碳還原這一步，他們采用了李燦院士等人此前研發的氧化鋅-氧化鋯（ZnO-ZrO2）催化劑，這種催化劑能提高二氧化碳的轉化速率和還原產物甲醇的產率 。而另外一種關鍵的氣體氫氣是通過太陽能電解水制得的 。這種設計理念也符合此前提到的“液態陽光”，只用到了太陽能、水和二氧化碳，就產生了甲醇 。
而為了解決人為調控時不同生物酶之間的協調性問題，研究人員基于已有數據庫中的6000多種反應路徑，利用現代理論計算的方法，從頭設計和構建了二氧化碳到淀粉的生化反應路徑 。他們確定了當在將二氧化碳轉變為甲醇之后，只需要“走”10步生化過程就可以實現淀粉的合成 。這條優化后的路徑，比植物天然合成淀粉更具優勢，避免路徑眾多、光合作用效率低的弱點 。
他們巧妙地采用了“模塊化”的方法，將反應路徑分為4個模塊 。他們基于各個模塊最終產物的碳原子數，將其分別命名為C1模塊（甲醇到甲醛）、C3模塊（甲醛到3-磷酸甘油醛（GAP，含3個碳原子））、C6模塊（GAP到D-葡萄糖-6-磷酸（G-6-P，含6個碳原子））和Cn模塊（G-6-P到淀粉） 。每個模塊的起始物和產物是確定的，他們通過理論計算，比較不同的反應路徑，最終找到了4個模塊最優的組合方式，成功設計出了人工合成淀粉的生化反應路徑——在多種生物酶的協同作用下，只需要“走”10步生化反應就可以實現淀粉的合成 。
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ASAP的反應路徑 圖片來源：DOI 10.1126/science.abh4049
但實驗研究并沒有就此停下來 。在原始設計CC6和Cn模塊中，他們發現存在3種低活性的酶 。通過利用蛋白質工程技術對酶進行改造，他們制造出了3種相應的高活性酶，提高了這3個模塊的反應速率和最終淀粉的產率 。
不過，二氧化碳的化學還原過程需要相對較高的反應溫度和壓力，而生物過程中用到的生物酶的適用溫度往往比較低 。因此，要想把化學和生化過程串聯起來，研究人員不能簡單地把化學反應和生化反應放在一個單元里，他們需要分別構建一個化學單元和一個生化單元，兩個單元之間還得加上冷凝裝置 。也就是說，二氧化碳化學還原出的甲醇得經過冷凝過程才能進入生化單元，參與接下來的生化反應 。
至此一個完整的、從二氧化碳到淀粉的反應鏈得以完成 。二氧化碳化學還原（第1步反應），與生物酶催化的生化反應（10步反應）偶聯在一起，構成了這條優化后的路徑 。它比植物天然合成淀粉更具優勢，其淀粉合成速率約是天然合成速率的8.5倍，而且從太陽能到淀粉的能量轉化效率約是自然光合作用的3.5倍 。相比于植物需要60多步反應，僅11步的人工合成方法，可以說是一種重大的勝利 。
【沒有淀粉可以用什么代替，中國科學家用二氧化碳制造淀粉】正如該論文的通訊作者、天津工業生物技術研究所的所長馬延和所說：“這個人工合成淀粉的途徑，對緩解農業壓力具有巨大的貢獻，即使只是替代一部分糧食淀粉作為工業原料甚至飼料 ?！?值得一提的是，據該論文第一作者、副研究員蔡韜表示，他們早在2018年就第一次合成出了淀粉，看到了“淀粉藍”（即淀粉遇碘變藍的現象），但考慮到當時的反應過程并不是最優化的，他們一直努力直至找到最優的結果 。
考慮到大氣中過高的二氧化碳濃度會影響農作物的質量，例如會使人類食用的包括大米在內的糧食變得沒有營養 。這項研究有2個重要的意義，能在一定程度上緩解糧食危機，以及緩解空氣中二氧化碳引起的溫室效應，促進碳中和的實現 。但它的作用可能遠不止這些 。
從無機到有機的夢想
不依賴植物，人工合成碳水化合物，一直是世界各國科學家的夢想 。這是因為實現這個過程，不僅能解決地球上的糧食危機，還能幫助人類在外太空合成需要的材料和能源 。2018年，美國航空航天局（NASA）就提出二氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰計劃 。本月，在NASA舉辦的二氧化碳轉化大賽中，華人科學家楊培東領導的研究團隊，通過電還原二氧化碳和聚糖反應，利用完全無機的催化劑，成功合成了多種單糖混合物，獲得了約150萬獎金 。
而這次中科院天津工業生物技術研究所的科學家更近一步，在國際上首次突破二氧化碳到淀粉的從頭人工合成 。植物產生的淀粉中有約20%~30%是直鏈淀粉，剩下的是支鏈淀粉 。而研究人員可以通過調整反應過程，如加入淀粉分支酶，來改變產物中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例 。
他們通過學習、模仿自然，設計、組裝出了自然界不存在的化學-生化反應路徑，大大提高了工作效率，而最終實現了“超越”自然 。雖然目前人工合成淀粉仍處于實驗成果階段，從實驗室向工業應用的轉化，對于科學家來說，還要走很長一段路，但“這孕育了巨大的產業變革新機，對于二氧化碳資源化，將其轉變為食品、材料、化學品等綠色低碳產業的發展產生了重大影響，” 馬延和所長說，“這也是建立一個創新賽道的新起點 。”
追尋自然界的奧秘，人類或將能收獲更偉大的果實 。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.abh4049
參考鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.003
https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.08.016
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaq1012
