改变世界的颠覆性突破，人工合成淀粉，比你想象中的更重要

2021年9月24日，中国科学院天津工业生物技术研究所宣布成功在实验室人工合成淀粉。并被刊登在了国际顶尖科学杂志《Science》上，它究竟有多厉害？

我们先来看看官方的评价：

这是继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

△中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，科研人员展示人工合成淀粉样品。图/新华社

颠覆性、原创性这两个极为罕见的关键词，注定这将是一项伟大的发现。

想象一下，不需要种地，也不需要植物，只需要光、水和二氧化碳为原料，我们每个人每天都依赖的淀粉就可以在工厂里源源不断地生产出来，这该是怎样一副梦幻奇景？

△早在50多年前，藤子·F·不二雄就在作品《哆啦A梦：大雄的行星之谜》中幻想了通过水、空气和光合成食物的构想。

这看似天方夜谭般的事情，在未来的某一天可能真的会实现。

它究竟是如何实现的？

伟大的突破

我们都知道，农作物通过与太阳光的光合作用，将水、二氧化碳等无机化合物可以合成淀粉等碳水化合物，这是地球上最重要的生物化学反应过程，淀粉是无数动物和人类的最主要食物来源。

这项生物化学反应，实际上效率非常低，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，所以自然合成淀粉效率并不高。

△光合作用的过程。图/视觉中国

有没有摆脱自然的限制，高效合成淀粉的方法？

其实人工合成淀粉的想法由来已久，自合成生物学诞生以来，科学家们就已经开始不断地进行尝试，试图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，因为技术难度极大、技术路线多变、瓶颈问题难测等种种困难，一直没人能实现这项技术。

而在今年，天津工业生物所经过了6年的鏖战，实现了这一看似不可能的任务，完成了淀粉的人工合成。

△研究团队合影。图/新华社

实验过程简单概括为：

首先利用太阳能，将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,

然后将甲醇转换成为三碳，

接下来再将三碳合成六碳，

最后，聚合成为淀粉。

这看似简单的几步，实际上难度极大，研究人员需要解决几个个登天般难度的问题：

如何实现太阳光能到化学能的转化？

如何实现甲醇到淀粉的合成？

自然界的淀粉合成需要60多步复杂精细的反应步骤，人工合成如何设计这些步骤？

为了解决第一个问题，研究人员受到了自然光合作用的启发，在太阳能分解水的技术上，开发出了高效的的化学催化剂，再利用光能—电能—化学能的能量转变方式，将二氧化碳还原成了更容易溶于水的甲醇等一碳化合物。在这个步骤中，光能的能量转化效率超过10%，远超自然光合作用的能量利用效率（2%）。

而为了解决第二个问题，科研人员挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优，使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖，最终合成了淀粉。在这一过程中，淀粉的产率又提高了10倍。

为了解决第三个问题，研究人员从多种生物的生物化学反应中，计算出了一条极简的路径，通过搭积木模块化思维，将60多步步骤缩减到了11步！

这是整个实验最为关键地方，也代表着中国科学家实现了原创性的重大突破。

而这条化学生物聚合的人工合成淀粉新系统，太阳能利用率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米合成淀粉速率的8.5倍！

在能量供给充足的条件下，理论上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。

△人工合成淀粉实物样品。图/新华社

也就是说，如果将生物反应器扩充到5亩地，它将会等于16500亩玉米地的淀粉产率。

这意味着什么？按最保守的情况来看，即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献

民以食为天

粮食问题贯穿了整个人类史，无论是过去还是现在，甚至在幻想的未来中，粮食安全、粮食危机都是实实存在的难题。

在科幻作品中，关于食物的幻想一直是一个重要的元素，除了我们熟知的《火星救援》里的火星土豆以外，在电影《星际穿越》中，小麦和水稻等作物由于干旱和枯萎病而灭绝，玉米作为最后末日作物的玉米奄奄一息，人类在粮食困境下没有实现技术突破，走投无路而向星际前行。

△《星际穿越》中，玉米成为了末日唯一的作物。

电影《雪国列车》中，蟑螂由于生存能力极强，繁殖快，而且同样是含有丰富的蛋白质，成为了底层人民的每日食物。同样，在《银翼杀手2049》中，也出现了传统农耕消失，人类靠蟑螂、蠕虫此类食物为生的剧情。

回到现实，放眼过去100年间，仅仅在中国就出现过三次规模巨大的饥荒。

1877年丁戊奇荒，饥荒遍布整个北方，受害面积达到5个省份，受灾人口高达2亿多人，一共造成超过1300多万人死亡。

1942年的河南大饥荒，仅仅一年的时间，河南的人口就由3000多万减少到了2100万。

1960年大饥荒，当时中国的耕地面积有16亿亩，受灾的面积就达到了将近10亿亩，人口总损失5000多万。

再放眼今天，根据联合国《世界粮食安全和营养状况》报告显示，2020年全球大约十分之一的人口（8.11亿人）面临食物不足的困境。

△全球食物不足地区（颜色越深为食物越短缺）。图/WFP

食品生产大约占据了全球40%的耕地，而我国的耕地面积为150多万平方千米,占国土面积的16%左右，也就是说，五分之四的国土面积不适合作为耕地使用，因此粮食问题一直都是我国面临的严峻挑战之一。

而本次的人工合成淀粉技术一旦成熟，将对未来的粮食生产具有革命性影响，除了解决食物不足问题外，工业车间制造淀粉与农业种植相比，将会节省超过90%的土地和淡水资源，大片的荒漠、高山甚至冰原都可以作为淀粉生产基地使用，并且可以避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平。

△2010年粮食安全风险指数。图/WFP

放眼未来，如果有一天人类实现星际航行，人工合成淀粉也将会是一项关键技术，火星基地、月球基地的食物问题有望解决。

不仅如此，人工合成淀粉中利用的原料——二氧化碳，是否让你想起了我们之前的一篇文章《气候异常背后的真相，你真的有勇气接受吗？》

文章中提到了“解决全球变暖的唯一途径就是技术的突破”。

而人工合成淀粉一旦技术开始大规模使用，大量排放的碳将会被有效利用起来，成为解决全球变暖的突破性技术之一。

尚待解决的问题

首先，目前的研究成果还处于实验室阶段，也就是说，现在实现了从0到1的转变，还需要实现从1到10,10到100的转换。世界上任何一个已知的技术都是在1的基础上，经过时间的积累实现的。

1887年，赫兹在实验室中发现电磁波——1895年，马可尼利用电磁波发明无线电报。

1895年，伦琴发现X射线——1942年，美国建成第一个核反应堆。

1674年，列文虎克发现微生物——1856年，巴斯德实现了牛奶灭菌。

...

△二战期间，1克青霉素的成本是700克黄金，而现在青霉素已经成为了人们的日常备用药。图/wikipedia

从0到1，是从无到有的质的飞越，而大规模应用，则需要时间不断的积累。真正实现纯工业制造淀粉，任重而道远。

其次，能量成本问题。根据能量守恒定律，自然界的任何事物都不能无中生有，即使是人工合成淀粉，也需要二氧化碳和光能作为原料，二氧化碳好说，光能，也就是太阳能的获取将会是未来面对的问题之一。

如何高效、低成本地获取太阳能，将会是研究人员的下一个挑战。如果未来可控核聚变技术可以实现突破，这两项技术合在一起将是使世界翻天覆地的超级革命。

△中国的可控核聚变项目“全超导托卡马克”，成功实现了在1.2亿摄氏度条件下进行人工可控核聚变101秒的人类奇迹。图/新华社

纵观整个人类史，从第一个人猿利用野火烤肉开始，到1万年前的农业革命，再到制陶、冶金、发明蒸汽机、内燃机、掌握电力...我们所走的每一步，本质上是不断认识自然，学习自然，超越自然的过程。

而人工合成淀粉，是一次超越自然的又一大见证，也许有人认为现在抱有乐观态度为时过早，但是事实情况是，每一项技术的革新，都是经历了无数质疑而实现的。

就像当初法拉第发现电磁感应现象的时候，曾有一个贵妇人质问他:“电有什么用呢?”

法拉第微笑着如此反问道:

“夫人，一个新出生的婴儿有什么用呢?”

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文、编辑丨武治宇

封图来源丨视觉中国