防止丢失，电梯直达安全度报告刘亚东A 来源：世界科学作家：世界科学图片来源：新华社最近中国科学院的科学家进行了比植物光合作用更有效的开创性研究。
其淀粉合成速率甚至超越了自然中的植物——是天然合成速率的8.5倍。这在国际上还尚属首次，而这项研究的意义或许比我们认为的更加深远。撰文 | 王怡博
编辑 | 石云雷
被小麦“驯服”的人类
大约公元前4000年，人类的身份发生了一次重大的改变，从在大陆上迁徙的狩猎-采集者，变成了在一个固定的地方定居的农民，而其中的原因就是小麦等粮食作物对人类的“驯化”。这些作物能满足人类的能量需求，使得人类群体的数量开始愈发壮大。
生物技术的发展，例如杂交育种和基因编辑技术，帮助我们极大地提高了农作物的产量。袁隆平院士经过数十年的研究，首次成功改变了水稻自花授粉的特点，研发出了高产的优良杂交水稻，为解决全球粮食短缺问题做出了重要贡献。
这些粮食作物能“产出”淀粉的秘密，其实远比大家认为的复杂。在华北地区的多数地方，常有“夏收小麦秋收玉米”的俗语。人类在适宜的季节种下作物幼苗，经过了艰苦的操劳过程后，收获粮食。而对植物来说，恰当的光照、温度和生长条件，才能使其叶子进行光合作用以固定二氧化碳；并在复杂的酶调控下，经历60多步反应，最终将二氧化碳转化为淀粉，富集到种子中。
但是理论上，作物在自然环境中只有约2%的光合作用效率，也就是说在植物吸收的太阳能中，大概只有2%的能量用于二氧化碳向淀粉的转化。由于生活、生产的各个方面都离不开淀粉，而目前淀粉的合成主要来自于农作物，这可能会加重农业压力，因而需改善或重建合成淀粉的方法。
中国科学院天津工业生物技术研究所的研究团队就在考虑，如果可以不依赖植物，通过人工的途径，直接利用二氧化碳来生产淀粉，或许可以减轻农业压力。最终，他们通过学习和模拟植物的光合作用，实现了这个过程。近日，在一项发表于《科学》的研究中，他们开发了一种新的、具有颠覆性的人工合成淀粉的方法（artificial starch anabolic pathway，ASAP），在全球首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。
取代植物有多难？
在包括人类在内的动物和植物之间，存在一个天然的循环过程。植物通过光合作用固定二氧化碳，产生能量和氧气。而动物消耗能量和氧气，产生二氧化碳，为植物的光合作用提供原料。随着二氧化碳导致全球变暖的情况日趋严重，科学家开始尝试通过固定二氧化碳，将其转化为有机物，来缓解气候危机。
2018年，在一篇发表于《焦耳》（Joule）的综述性文章中，中国科学院的多位院士首次联合提出了“液态阳光”（Liquid Sunshine）这一概念。“液态阳光”指的是，不依赖植物，利用太阳能、二氧化碳和水，产生可再生的绿色燃料，包括甲醇和乙醇等。这个过程有利于实现二氧化碳的资源化利用，促进碳中和目标的实现。
“液态阳光”的理念 图片来源：DOI：10.1016
而相比之下，天津工业生物技术研究所的科学家研究的淀粉的结构更加复杂，它是一种高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖，在结构上还有直链和支链之分，其人工合成要更困难。为了实现从二氧化碳到淀粉的全合成，他们克服了多个难关。
在自然界，植物能通过光合作用合成淀粉，是数亿年自然选择的结果。天然合成淀粉的机制非常复杂，包含还原、缩合、重排、聚合等化学反应过程，每个过程还需要各种生物酶之间的精准配合与协作。但这在人为调控时就难以实现了。
除此之外，二氧化碳还原是一个慢过程，也就是说，二氧化碳向甲醇等只有一个碳原子的有机物的转化，限制了后续朝着淀粉方向的反应。我们知道，生物酶具有加快反应进程的能力，也就是促使简单分子向复杂生物大分子的转化；类似地，化学中的无机催化剂也能显著降低反应需要的能量，从而提高反应的速率。因此，研究人员想到，是否可以利用无机催化剂的催化作用，来提高第一步二氧化碳还原的反应速率？
仅11步反应路径
对于二氧化碳还原这一步，他们采用了李灿院士等人此前研发的氧化锌-氧化锆（ZnO-ZrO2）催化剂，这种催化剂能提高二氧化碳的转化速率和还原产物甲醇的产率。而另外一种关键的气体氢气是通过太阳能电解水制得的。这种设计理念也符合此前提到的“液态阳光”，只用到了太阳能、水和二氧化碳，就产生了甲醇。
而为了解决人为调控时不同生物酶之间的协调性问题，研究人员基于已有数据库中的6000多种反应路径，利用现代理论计算的方法，从头设计和构建了二氧化碳到淀粉的生化反应路径。他们确定了当在将二氧化碳转变为甲醇之后，只需要“走”10步生化过程就可以实现淀粉的合成。这条优化后的路径，比植物天然合成淀粉更具优势，避免路径众多、光合作用效率低的弱点。
他们巧妙地采用了“模块化”的方法，将反应路径分为4个模块。他们基于各个模块最终产物的碳原子数，将其分别命名为C1模块（甲醇到甲醛）、C3模块（甲醛到3-磷酸甘油醛（GAP，含3个碳原子））、C6模块（GAP到D-葡萄糖-6-磷酸（G-6-P，含6个碳原子））和Cn模块（G-6-P到淀粉）。每个模块的起始物和产物是确定的，他们通过理论计算，比较不同的反应路径，最终找到了4个模块最优的组合方式，成功设计出了人工合成淀粉的生化反应路径——在多种生物酶的协同作用下，只需要“走”10步生化反应就可以实现淀粉的合成。
ASAP的反应路径 图片来源：DOI 10.1126
但实验研究并没有就此停下来。在原始设计C3、C6和Cn模块中，他们发现存在3种低活性的酶。通过利用蛋白质工程技术对酶进行改造，他们制造出了3种相应的高活性酶，提高了这3个模块的反应速率和最终淀粉的产率。
不过，二氧化碳的化学还原过程需要相对较高的反应温度和压力，而生物过程中用到的生物酶的适用温度往往比较低。因此，要想把化学和生化过程串联起来，研究人员不能简单地把化学反应和生化反应放在一个单元里，他们需要分别构建一个化学单元和一个生化单元，两个单元之间还得加上冷凝装置。也就是说，二氧化碳化学还原出的甲醇得经过冷凝过程才能进入生化单元，参与接下来的生化反应。
至此一个完整的、从二氧化碳到淀粉的反应链得以完成。二氧化碳化学还原（第1步反应），与生物酶催化的生化反应（10步反应）偶联在一起，构成了这条优化后的路径。它比植物天然合成淀粉更具优势，其淀粉合成速率约是天然合成速率的8.5倍，而且从太阳能到淀粉的能量转化效率约是自然光合作用的3.5倍。相比于植物需要60多步反应，仅11步的人工合成方法，可以说是一种重大的胜利。
正如该论文的通讯作者、天津工业生物技术研究所的所长马延和所说：“这个人工合成淀粉的途径，对缓解农业压力具有巨大的贡献，即使只是替代一部分粮食淀粉作为工业原料甚至饲料。” 值得一提的是，据该论文第一作者、副研究员蔡韬表示，他们早在2018年就第一次合成出了淀粉，看到了“淀粉蓝”（即淀粉遇碘变蓝的现象），但考虑到当时的反应过程并不是最优化的，他们一直努力直至找到最优的结果。
考虑到大气中过高的二氧化碳浓度会影响农作物的质量，例如会使人类食用的包括大米在内的粮食变得没有营养。这项研究有2个重要的意义，能在一定程度上缓解粮食危机，以及缓解空气中二氧化碳引起的温室效应，促进碳中和的实现。但它的作用可能远不止这些。
从无机到有机的梦想
不依赖植物，人工合成碳水化合物，一直是世界各国科学家的梦想。这是因为实现这个过程，不仅能解决地球上的粮食危机，还能帮助人类在外太空合成需要的材料和能源。2018年，美国航空航天局（NASA）就提出二氧化碳制造葡萄糖的百年挑战计划。本月，在NASA举办的二氧化碳转化大赛中，华人科学家杨培东领导的研究团队，通过电还原二氧化碳和聚糖反应，利用完全无机的催化剂，成功合成了多种单糖混合物，获得了约150万奖金。
而这次中科院天津工业生物技术研究所的科学家更近一步，在国际上首次突破二氧化碳到淀粉的从头人工合成。植物产生的淀粉中有约20%~30%是直链淀粉，剩下的是支链淀粉。而研究人员可以通过调整反应过程，如加入淀粉分支酶，来改变产物中直链淀粉和支链淀粉的比例。
他们通过学习、模仿自然，设计、组装出了自然界不存在的化学-生化反应路径，大大提高了工作效率，而最终实现了“超越”自然。虽然目前人工合成淀粉仍处于实验成果阶段，从实验室向工业应用的转化，对于科学家来说，还要走很长一段路，但“这孕育了巨大的产业变革新机，对于二氧化碳资源化，将其转变为食品、材料、化学品等绿色低碳产业的发展产生了重大影响，” 马延和所长说，“这也是建立一个创新赛道的新起点。”
追寻自然界的奥秘，人类或将能收获更伟大的果实。
原文链接：
https://doi.org/10.1126
参考链接：
https://doi.org/10.1016
