人工把二氧化碳变成淀粉

罗征

从0到1的淀粉人工合成

人离不开淀粉:刷牙、喝牛奶、穿衣服等。淀粉作为食品最重要的成分和重要的工业原料，几乎涉及人们生活的方方面面。人类能否找到一种简单经济的方法来获得如此重要的高分子碳水化合物？

传统的淀粉生产模式是以卡尔文循环为基础，依靠光能作为能源，通过大规模种植获得富含淀粉的食物，以满足人类对淀粉的需求。这种淀粉生产模式受自然天气和耕作的影响很大。

通过模拟和设计自然过程，采用化学-生物法以二氧化碳和氢气为原料生产淀粉。与传统的淀粉制备方法相比，该方法具有生产效率高的优点，有助于摆脱耕地和自然环境的限制，解决粮食危机。研究人员在实验室展示合成淀粉样品。

早在几年前，中国科学家就已经做出了多项大胆的科学假设:如果人类不依赖农耕，是否也能获得淀粉；如果占空气体0.031%的二氧化碳都能“变身”成淀粉，人类还用担心全球变暖吗？如果人类不再靠天吃饭，粮食从土地到工厂种植，粮食危机还会存在吗？如果这一系列“如果”成真，科学将如何改变世界？

这些科幻的想法，如今有望在科学家的不懈探索下变成现实。不久前，中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工业生物所)研究团队在人工合成淀粉方面取得重大突破，首次在实验室用二氧化碳合成淀粉。

这篇成果论文在线发表在国际学术期刊《科学》上，这是世界上最权威的学术期刊之一。论文的上线日期是2021年9月24日。这被视为“从0到1”的原创性成果，突破了生化反应进化的瓶颈，向设计生命迈进了一大步，为设计和组装具有新功能的生物系统提供了新的科学依据。

在这篇题为“二氧化碳无细胞化学酶法合成淀粉”的研究论文中，首次介绍了从二氧化碳到淀粉的完整合成技术。不仅如此，在“双碳”目标的背景下，该技术有望推动碳中和的生物经济发展，促进未来经济的可持续发展。

利用类似的“积木”方法，天津工业生物研究所研究员马延河带领团队从零开始，用11步设计并构建了一种非自然的固碳和淀粉合成方式，首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉分子的完全合成。

据介绍，这项技术不依赖植物光合作用，不需要大规模耕作、施肥和作物加工。原料经过优化后，只需要二氧化碳、氢气和电就可以生产淀粉。而且在能源供应充足的情况下，按照目前的技术参数，理论上1立方米生物反应器的淀粉年产量相当于全国5亩玉米田的淀粉年产量。用二氧化碳生产淀粉，图片来源:天津工业生物技术研究所

“无中生有”的技术能否担当重任？

地球人口数量和规模迅速扩大，可耕地面积不断缩小，粮食安全和温饱问题日益突出。虽然中国划出了18亿亩耕地红线，但由于环境变化和人口活动排挤优质养殖资源的影响，粮食安全不容乐观。同时，随着国民温饱问题的逐步解决，如何吃得绿色、健康、安全，是下一步亟待解决的问题。

传统种植获取淀粉必然要使用大量的氮、磷、钾肥、农药等。，容易恶化土壤的理化性质，降低作物果实的品质，对人体健康产生影响。本研究提出的淀粉制备方法避免了使用农药等。并且得到的产品更加健康。

一般淀粉主要是绿色植物通过光合作用固定二氧化碳合成的。在农作物将二氧化碳转化为淀粉的复杂过程中，太阳能的理论利用效率不到2%，农作物的生长周期长，需要大量的土地、淡水、化肥等资源。因此，新的淀粉制备方法实现了二氧化碳的高效转化和利用，这无疑是有益的。

9月23日，中科院召开了二氧化碳合成淀粉这一技术的详细介绍和解读新闻发布会。中国科学院副院长周琦在会上说，当今世界面临着全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战。二氧化碳的转化利用和谷物淀粉的工业化合成正是应对挑战的重大科技课题之一。

团队的总体设计思路是将火电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度的太阳能转化为高密度的电能或氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后设计碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。

这一研究成果也得到了中外专家的认可和高度评价。

《科学评论》专家表示，“这项工作是一个里程碑式的突破，将对下一代生物制造和农业生产产生变革性的影响。”美国工程院院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·纳尔逊(Jens Nelson)说，利用不同种类的酶组成的重组酶系统，将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉，是现代催化化学与合成生物学相结合的一个绝妙案例。

中国工程院院士、原南京工业大学校长欧阳平凯也认为，这项研究对于解决二氧化碳产生人类基本食物和原料淀粉的问题，对于“碳中和”工作，对中国和世界都具有重要意义。

但是，上述前景的实现还是需要建立在一定条件的基础上。比如，首先，转化过程的成本需要进一步降低，与农业种植相比在经济上是可行的，这样才有可能节约耕地和淡水资源，避免农药化肥对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。

碳减排的未来

天津工业生物研究所研究团队表示，目前，研究成果还处于实验室阶段，距离实际应用还有一段距离。后续要尽快实现从“0到1”到“1到10”、“10到100”的概念突破，最终成为解决人类发展面临的重大问题和需求的有效手段和工具。

论文第一作者、天津工业生物研究所副研究员蔡涛直言，工业应用面临巨大挑战。一方面，工程生物学和工程设计的基础理论还存在一些有待解决的问题；另一方面，就经济性而言，从成本控制过程的初步计算来看，只有二氧化碳对淀粉合成的电能利用效率提高几倍，淀粉合成的碳转化率提高几倍，才能与农业种植相抗衡。因此，要实现工业化生产，还有很多科技问题需要解决，“淀粉生产工厂”还有很长的路要走。

中国社科院可持续发展研究中心副主任陈颖认为，这一科研突破意义重大，但将其应用于碳减排领域为时尚早。需要注意的是，二氧化碳非常稳定，必须输出能量才能打开化学键。二氧化碳有机化合物的转化过程需要氢气，也必须是绿电制备的绿氢。希望这项技术作为减排技术被广泛应用，消耗大量二氧化碳，还为时过早。

陈颖说，“任何技术都能大规模应用，不仅是因为技术可行，还因为成本有竞争力，社会能接受。”

2021年，各国(NDC)在《巴黎协定》框架下的自主贡献以及近期各国公布的碳中和计划，将使全球碳市场再度活跃，包括中国在内的全球碳市场将进入一个全新的发展阶段。在碳减排过程中，市场特别关注技术进步和创新对高碳行业的影响。

在碳减排的技术层面，最近剑桥碳捕获公司也开发了一种通过两个矿化阶段分离二氧化碳的技术。这项技术可以用于电力或钢铁的零排放生产，也可以与天然气供应商合作，将天然气转化为零排放的氢气。然而，目前剑桥碳捕获公司仍在与潜在客户举行商业前讨论，希望在商业规模上测试这项技术。

至于碳捕集与封存，在碳减排方面确实具有技术可塑性，但在中国目前并不是一种经济选择。碳捕获技术需要在经济上可行，二氧化碳捕获和储存需要大型地质结构，排放物的运输也非常复杂和昂贵。中国的“两碳”战略是在保增长的同时控制排放，新技术背后的经济考量不容忽视。

要想依靠二氧化碳淀粉合成技术实现碳减排，解决粮食问题，还有很多技术和经济问题需要面对，而这项技术未来何去何从，对碳减排和粮食问题的影响有多大，都需要时间去了解。