二氧化碳能人工合成淀粉？听着是个天方夜谭的问题，但中国科学家(中科院天津工业生物所)经过6年多的研发，给出了肯定的答案。9月24号，该成果发表于著名国际学术期刊Science。这是世界上首次在实验室，实现二氧化碳到淀粉的从头合成。代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破，对于粮食安全、外星探索、气候变化都有着巨大意义。通俗点说，既能解决粮食危机问题，又能解决碳排放问题，还为未来太空航行打开了想象空间，一箭三雕。淀粉，也就是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分，每天维持我们生命的东西（餐餐牛排的土豪请忽略），同时是重要的工业原料。目前咱们想获得淀粉，都是由玉米等农作物，通过自然光合作用固定二氧化碳生产。这种手段存在几个问题：1.步骤复杂：自然界淀粉合成与积累，涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控。2.效率低：理论能量转化效率仅为2%左右。3.速度慢：玉米的生长周期一般超过天。4.占用空间大：需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。但用二氧化碳人工合成淀粉就完全不一样了。人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装步骤上，科研人员重新设计出了一条路径，只需要11步就能从二氧化碳人工合成淀粉。效率上，从太阳能到淀粉的转化率为7%，是自然界合成淀粉的3.5倍。合成速率上，相比自然界数个月的合成时间，实验室里只需大约4个小时。最最重要的是，它不需要光合作用，完全通过纯工业/实验室合成，能让我们未来能够像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉。理论上，1立方米大小的生物反应器年产淀粉量，相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。人工合成淀粉样品具体的合成路线是：科研团队采用一种类似“搭积木”的方式，联合中科院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下，还原成碳一(C1)化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶；依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物，再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。该团队还通过耦合化学催化与生物催化模块体系，创新高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术，通过反应时空分离优化，解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题，扩展人工光合作用的能力。简单点说，科学家们先将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇，然后将甲醇转化成为三碳，接下来再将三碳合成六碳，最后，聚合成为淀粉。最终通过核磁检测，该人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致，也就是两者没有区别。这波来自实验室“降维打击”的操作，堪称科幻小说里的情节，是合成生物学领域的重大突破。有网友评论，“终于实现了喝西北风的愿望”。突破二氧化碳人工合成淀粉技术，对未来会产生哪些影响，到底有多重要？看看官方给出的评价：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。首先，是粮食方面的影响。我国地大物博，但一平均就拉胯了。人均耕地面积排在全球第名，这还是国家死保18亿亩耕地红线的结果。有了二氧化碳人工合成淀粉技术就不一样了，这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能。它在很大程度上，甚至可能是从根本上解决了困扰人们的粮食问题。同时，有望节省超过90%的土地和淡水资源，城市的发展空间不再受限。其次，是环境方面的影响。粮食生产方式改变了，那就不用像以前一样，大范围施化肥和喷农药，破坏环境。更重要的是，可以直接把二氧化碳固定下来，这效率比农业和植物快多了，那岂不是温室气体问题就可以解决了？“碳中和”之类的环保问题，将再也不是问题，工业生产方面的限制也大幅减少。另外，这项研究，还将为人类的太空探索提供重大的助力。去火星生活不用苦哈哈的种土豆了，直接建立一个淀粉生产工厂就行。要知道，火星大气主要是二氧化碳，比例高达96%，简直是一个超级粮仓。星际旅行时，粮食也不再是问题。说到这，大家是不是有点小激动？那接下来我就要泼盆冷水了。虽然目前设计、创建超越自然的人工生物系统生产淀粉，取得了突破性进展。但要真正实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉，依然任重而道远。最核心的问题还是成本。二氧化碳加氢气制甲醇，会导致甲醇成本巨幅提高，失去经济价值。同时在后面的“搭积木”过程产品——淀粉，也会有大量的能耗。因此，很容易导致这个合成淀粉面临能耗高、排放高、价格高的问题，在未来的应用落地中存在比较大的阻碍。以太阳能电池为例。具有实用意义的太阳能电池，是上世纪50年代贝尔实验室开发出来的。但即使到近几年，光伏发电的平价上网依旧是一个老大难问题。只有部分地区，可以在经济性上与火电竞争，相当一部分地区还做不到。并且光伏发电还受电网调峰和稳定性约束，目前仅能作为火电的有限替代。光伏发电用了70年才做到这个地步，人工合成淀粉又需要多久才能与传统农作物同台竞争呢？当然，作为一个从0到1的突破，这意味着只要在这条路上持续的走下去。总有一天，我们会完成工业化批量生产淀粉的事业，不再依赖与大量的土地种植，真正的从农耕文明走向更高的文明阶段。相信在科研人员的不懈努力下，未来的“淀粉生产工厂”并不遥远。
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