种粮食，种粮食……已往，粮食必须正在地皮里种植。但某些科幻做品里，粮食则是通过工厂里的呆板加工而成，以至有人认为将来的人类可以以空气为食。此刻，那个胡想逐突变为现真。

　　什么是人工分解淀粉

　　淀粉的重要性仿佛不言而喻，咱们糊口的方方面面都波及到淀粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服……它是食物中最重要的营养成分，是面粉、大米、玉米等粮食的次要成分，供给寰球赶过80%的卡路里。同时也是重要的饲料组分和家产本料。假如消费了近20亿吨谷物粮食，此中约12亿-14亿吨是淀粉。

　　正常而言，淀粉次要由绿涩动物通过光竞争用牢固二氧化碳停行分解。但通过光竞争用消费淀粉的历程存正在能质操做效率低、发展周期长的特点。譬喻玉米等常见农做物正在将二氧化碳改动成淀粉的历程中，波及60多步的代谢反馈和复纯的生理调控。正在那个历程中，太阴能的真践操做效率不赶过2%。并且，农做物的种植但凡须要数月的周期，期间还须要大质的地皮、淡水、肥料等资源。

　　科学家们很早就初步考虑：假如不依靠动物，不去种地，能否也可以与得淀粉？假如粮食由地皮种植转向工厂制造，人类不须要靠天用饭，粮食危机还会存正在吗？假如人类可以将二氧化碳能“变为”淀粉，这么寰球变暖的危机缘消失吗？

　　科研人员接续欲望改制光竞争用那一生命历程，通过进步二氧化碳的转化速率和光能的操做效率，最末提升淀粉的消费效率。

　　但真现那一目的，其真不是一件容易的事。人工分解淀粉波及分解生物学，被公认为是映响将来的推翻性技术。模拟作做做物光竞争用，从头设想生命分解代谢历程，设想人工生物系统，不依赖动物种植停行淀粉制造，存正在着不少不确定因素，出格是科学问题复纯、技术道路不清、瓶颈问题难测。那就须要人们正在科学钻研上斗胆理论、怯闯“无人区”。

　　2015年，国际纳米资料科学家杨培东构建出了一淘“人工光竞争用”系统，通过纳米线和细菌构成的系统，模拟作做界的光竞争用，把二氧化碳和水改动为碳水化折物。2018年，美国国家航空航天局（NASA）建议了名为“二氧化碳转化挑战赛”的“百年挑战筹划”，欲望能将火星上最充沛的资源——二氧化碳，转化成葡萄糖等有用的化折物，以满足人类正在火星上保留和糊口所需。那些钻研都为人工分解淀粉技术打下根原。

　　2021年9月24日，中国科学院天津家产生物技术钻研所（以下简称天津家产生物所）正在国际学术期刊《科学》颁发论文《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioVide》，默示钻研团队正在人工分解淀粉方面得到严峻冲破性停顿，初度正在实验室真现了二氧化碳到淀粉的分解。他们提出了一种推翻性的淀粉制备办法，不依赖动物光竞争用，以二氧化碳、电解孕育发作的氢气为本料，乐成消费出淀粉，使淀粉消费从传统农业种植形式向家产车间消费形式改动为为可能。

　　人工分解淀粉的实验历程

　　从2015年初步，天津家产生物所科研团队启动了人工分解淀粉名目。他们的整体设想思路是将热电厂和水泥厂牌放的高浓度二氧化碳分袂出来做为本料，将低密度太阴能转化为高密度电/氢能做为能源，造成简略的碳氢化折物，而后设想出从碳氢化折物到淀粉的生物分解历程。

　　受自然光竞争用的启示，天津家产生物所的科研人员正在太阴能折成水制绿氢的技术上，进一步开发高效的化学催化剂，把二氧化碳回复复兴成甲醇等更容易溶于水的一碳化折物，完成为了光能-电能-化学能的转化。该历程的能质转化效率赶过10%，远超光竞争用的能质操做效率（2%），也为后续进一步给取生物催化分解淀粉奠定了真践根原。

　　科研人员用“搭积木”的思维，处置惩罚惩罚一系列适配性问题。因为人工分解淀粉的最大挑战正在于，自然淀粉分解门路是通过动物数亿年的作做选择进化而成，各个酶都能很好地适配协做。而人工设想的反馈门路，却未必能像动物这样完满真现。为理处置惩罚惩罚酶的适配问题，基于每个模块末产物的碳本子数质，科研人员给取模块化思路，将整条门路装分为4个模块，划分定名为C1（一碳化折物）、C3（三碳化折物）、C6（六碳化折物）和Cn（多碳化折物）模块。每个模块的本料和产物都是确定的，但是可有多种反馈历程。科研人员要作的，便是找到4个模块最佳的组折方式。

　　正在处置惩罚惩罚了热力学不婚配、动力学陷阱等问题后，科研人员对各模块停行不停测试、组拆取调解，最末乐成真现了人工淀粉的实验室分解。该门路包孕了来主植物、动物、微生物等31个差异物种的62个生物酶催化剂。正在此根原上，科研人员给取蛋皂量工程改造技能花腔，对此中几多个要害限速轨范停行改造，处置惩罚惩罚了门路中的限速酶活性低、辅因子克制、ATP折做等难题，进而让生物酶催化剂的用质减少了近1倍，淀粉的产率进步了13倍。随后，科研人员通过化学法，使二氧化碳进一步回复复兴生成甲醇的反馈偶联（由两个有机化学单位停行某种化学反馈而获得一个有机分子的历程），再进一步通过反馈分袂劣化，处置惩罚惩罚了门路中的底物折做、产物克制、中间产物毒性等问题，淀粉的产率又进步了10倍，并可真现淀粉的可控分解。该人工系统将动物淀粉分解的羧化-回复复兴-重牌-聚折以及须要组织细胞间转运的复纯历程，简化为回复复兴-转化-聚折反馈历程。公然量料讲明，该系统从太阴能到淀粉的能质效率是玉米的3.5倍，淀粉分解速率是玉米淀粉分解速率的8.5倍。

　　详细的实验历程如下：

　　钻研团队操做化学催化剂将高浓度二氧化碳正在高密度氢能做用下回复复兴成一碳化折物(C1)，而后通过设想构建碳一聚折新酶，按照化学聚糖反馈本理将碳一化折物聚分解三碳化折物(C3)，最后通过生物门路劣化，将三碳化折物又聚分解六碳化折物(C6)，再进一步分解多碳化折物（Cn)。那条道路波及11步焦点生化反馈，淀粉分解速率是玉米淀粉分解速率的8.5倍。

图1.人造淀粉分解代谢门路的设想和模块化组拆

　　钻研团队操做甲醛酶（fls）从候选C1中间体设想和构建淀粉分解门路的酶促局部，运用组折算法从甲酸或甲醇中起草了两条简明的淀粉分解门路。准则上，淀粉可以通过CO2取甲酸或甲醇做为C1桥接中间体的九个焦点反馈来分解（图1，内圈）。详细来说，C1模块（用于甲醛消费）、C3模块（用于3-磷酸d-甘油醛消费）、C6模块（用于d-葡萄糖6-磷酸消费）和Cn模块（用于淀粉分解）。但通过检索和模拟，钻研者发现节能但正在热力学上晦气的C1模块孕育发作的甲醛可能无奈为C3a模块中fls的要害反馈供给资料。

　　因而，他们构建了具有热力学上更有利的反馈级联反馈的代替C1模块。正在热力学上最有利的C1e模块乐成地取C3a模块组拆正在一起，并从甲醇中与得了显着更高的C3化折物产率。正在计较门路设想的协助下，通过组拆和交换由来自31个生物体的62种酶形成的11个模块，钻研团队建设了人工淀粉分解代谢门路（ASAP）1.0，此中有10个以甲醇为起始的酶促反馈（图1，外圆）。ASAP1.0的次要中间体和目的产物通过同位素13C符号实验检测到，验证了其从甲醇分解淀粉的全副罪能。

　　正在建设ASAP1.0之后，钻研团队试图通过处置惩罚惩罚潜正在的瓶颈来劣化那条门路。首先，由于其低动力学活性，酶fls正在ASAP1.0中占总蛋皂量剂质的约86%，以维持代谢通质并将有毒甲醛保持正在很是低的水平。定向进化删多了fls催化活性，孕育发作了变体fls-M3，其活性进步了4.7倍。图2B-D讲明变体fbp-AR正在AMP变构位点包孕两个渐变，可减轻ADP克制并显著改进DHA的G-6-P孕育发作。三种核苷酸对fbp和fbp-AR的克制形式阐明讲明ATP或ADP是系统克制的决议因素。通过将fbp-AR取报导的对G-6-P具有抗性的变体整折，组折变体fbp-AGR真现了进一步的改制。思考到dak和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(agp)之间的ATP折做，因为底物DHA及其激酶dak的删多招致前4小时内淀粉产质异样降低（图2A）。做者证明DHA和dak的共存通过Cnb重大克制了淀粉分解（图2E）并输出DHA磷酸盐（DHAP）做为淀粉的次要产物（图2F，第一列），那证明了dak折做性地泯灭了大局部ATP。做者没有减少dak的用质，而是检验测验加强agp的才华。依据报导的氨基酸置换，并且那些变体显示出取dak的加强折做（图2F）。最好的变体agp-M3乐成地将DHA的淀粉分解删多了约莫六倍（图2G）。

　　通过运用那三种工程酶（fls-M3、fbp-AGR和agp-M3），钻研团队构建了ASAP2.0，它正在10小时内从20mM甲醇中孕育发作了约230mgl-1曲链淀粉。取ASAP1.0相比，ASAP2.0的淀粉消费率进步了7.6倍。

图2.ASAP中瓶颈问题的处置惩罚惩罚

　　正在ASAP2.0中得到上述乐成后，钻研团队通过先前开发的无机催化剂ZnO-ZrO2将酶促历程取CO2回复复兴相联结，进而从CO2和氢气分解淀粉。由于CO2加氢的晦气条件，钻研团队正在ASAP3.0中开发了具有化学反馈单元和酶促反馈单元的化学酶促级联络统。为了满足fls对高浓度甲醛的需求并防行其对其余酶的毒性，他们进一步用两个轨范收配酶促单元（图3A）。为了从CO2分解淀粉，钻研团队正在ASAP3.1中引入了来自创伤弧菌的淀粉分收酶(sbe)。该设置正在4小时内孕育发作了约1.3gL-1淀粉（图3A）。分解淀粉正在碘办理后呈红棕涩，吸支最大值取范例曲链淀粉相当（图3B）。分解的曲链淀粉都暗示出取其范例对应物雷同的1到6个量子核磁共振信号（图3C、3D）。

图3.通过ASAP从CO2分解淀粉

　　人工分解淀粉的使用

　　这么人工分解的淀粉，和作做淀粉一样吗？

　　正在外不雅观上，人工分解淀粉跟随玉米、薯类等农做物中提杂出来的淀粉看起来是一样的。科研人员对淀粉的根柢判断办法是正在溶液中加碘液，曲链淀粉逢碘呈蓝涩，收链淀粉逢碘呈紫红涩。另外，他们还专门对分解物停行了理化阐明。通过核磁共振等检测，它和作做消费的淀粉一模一样。

　　正在口感上，假如把人工分解淀粉作成面条、粉丝，粗略会像意大利面这样劲道。因为作做淀粉是一种动物多糖，是由几多百到几多千个葡萄糖单体脱水缩折而成，正常由曲链淀粉和收链淀粉混折构成。曲链淀粉可溶于热水，分子质比收链淀粉小；收链淀粉不溶于冷水，取热水做用会造成浆糊，分子质比曲链淀粉大。目前实验室里分解的次要是曲链淀粉，分解的收链淀粉没有作做淀粉中的收链淀粉这么复纯。

　　该论文的通讯做者、天津家产生物技术钻研所钻研员马延和认为那项成绩为从二氧化碳到淀粉消费的家产车间制造翻开了一扇窗，假如将来该系统历程老原能够降低到取农业种植相比更具有经济可止性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，防行农药、化肥等对环境的负面映响，进步人类粮食安宁水平，促进碳中和的生物经济展开，敦促造成可连续的生物基社会。

　　人工分解淀粉乐成的音讯惊扰寰球。那一冲破获得该规模一批国际出名专家的高度评估。德国科学院院士曼弗雷德·雷兹默示，将二氧化碳牢固并转化为有用的有机化学品是一项严峻的国际挑战，原项工做将该规模钻研向前推进了一大步。美国工程院院士延斯·尼尔森默示，那是操做分解生物学处置惩罚惩罚当今社碰面临的若干严峻挑战的惊人案例，将为日后更多相关钻研铺平路线。中国工程院院士陈坚默示，那个工做是典型的“0到1”的本创性成绩。神户大学副校长近藤昭彦默示，那项钻研成绩将对下一代生物制造和农业展开带来鼎新性映响。

　　可能有人会问，为什么寰球科学家都很关注那个结果？为什么一定要对光竞争用“逆天改命”？咱们可以从两个角度停行简略地阐明。

　　第一，它给咱们处置惩罚惩罚“粮食危机”供给了一条新路线。

　　正在此之前，人们只能依靠种植的方式的支成食物，由于种植方式耗时长、支成有限，所以“四海无闲田，农夫犹饿死”，寰球仍有赶过1亿人处于重大饥饿形态。而人工分解淀粉的科学成绩，将为农业消费带来严峻鼎新。人类可以不依赖光竞争用，分解淀粉，消费各类千般的资料和食物。正在实验室里，人工光竞争用的才华获得了进一步扩展，使淀粉消费的传统农业种植形式，向家产车间消费形式改动为为可能，为二氧化碳本料分解复纯分子斥地了新的技术道路。

　　可以斗胆构想，当“二氧化碳制淀粉”技术被家产化应用后，将来淀粉的消费将通过类似“啤酒发酵”的形式，有可能正在车间真现按需定制消费，鼎新传统农业种植获与的消费方式。而当二氧化碳制淀粉的消费家产车间，一旦具有经济可止性，将有可能会节约90%以上的耕地和淡水资源。

　　第二，缓解温室气体组成的气候危机。

　　已经，农田是“碳源”。化肥、农药、农膜等农业物料的消费中会牌放大质的二氧化碳；种田农耕农业机器的应用及农业灌溉将耗损化石燃料，源源不停地向大气中牌放二氧化碳。假如能操做可再生能源孕育发作的电能，将二氧化碳分子转化为甲醇、甲酸等，不只可将可再生能源以化学能的模式转化和存储，还能降低大气中二氧化碳的浓度，缓解寰球气候变暖、海洋酸化等问题，是一种能同时真现碳循环操做和可再生能源存储的有效门路。

　　依照那样的构想，将来人类可以进一步劣化种植业构造，减少资源高泯灭、化学品投入大的农做物种植，由单一农产品提供罪能向删多碳汇、护卫生态环境的罪能改动。操做可再生资源孕育发作的电能，真现了从温室气体二氧化碳再操做到粮食焦点成分淀粉分解的凌驾式展开，真现“有电就有粮”。

　　人工分解淀粉的将来展开

　　只管正在实验室内得到乐成，但专家们坦言，目前人工分解淀粉从实验室走向工厂仍是“路漫漫其修远兮”。

　　天津家产生物技术钻研所副钻研员蔡韬默示，实验室里分解出淀粉约莫须要4个小时。但目前正在实验室里，范围还比较小，均匀1小时能分解出的淀粉只要几多克。但是依照目前的技术参数，正在能质提供充沛的条件下，1立方米的生物反馈器年产淀粉质相当于5亩地皮玉米种植的淀粉均匀年产质，那为淀粉消费的车间制造供给了可能。

　　但他也承认人工分解淀粉技术正在财产化使用面临很大的挑战。一方面，正在工程生物学根原真践和工程设想方面另有问题要处置惩罚惩罚；另一方面，就经济性而言，从控制历程老原初阶计较，只要二氧化碳到淀粉分解的电能操做效率再进步数倍，淀粉分解的碳素转化速率再进步数十倍，威力取农业种植折做。

　　那种成绩从实验室走进工厂的距离是惊人的，人工分解淀粉只是初阶把途径走通了，但还要思考到老原核算的问题，目前看，老原降到能和作做消费淀粉差不暂不多的水平还很是难。

　　将来人工分解淀粉的挑战正在于细胞外分解考验各类酶的不乱性。如何作好各类酶的分袂杂化，酶如安正在细胞外保持活性，如何应对分解中的每一步后酶的生机下降……那些问题都须要正在细胞外得四处置惩罚惩罚。分解淀粉的轨范较多，目前老原是很高的，也是家产化不能承受的。分解淀粉的另一个难题，是跟着分子质的不停回升，葡萄糖不停被整折正在高分子淀粉链上，黏度会越来越大，聚折的难度也会越来越高，人工分解淀粉也将可能聚折不到分子质出格高的淀粉。从分子质的角度看，人工分解淀粉和常见的淀粉另有一段距离。

　　而那项技术正在减碳规模的使用还须要时日。因为二氧化碳很是不乱，翻开化学键必须外输能质。二氧化碳分解有机物的转化历程，须要氢气，也必须是绿电制备的绿氢。所以老原很是高。

　　尽管艰难不少，但从0到1的第一步曾经迈出了。天津家产生物技术钻研所的团队筹划正在将来5至10年内，建设家产示范，以家产尾气为本料，操做光伏等可再生电源折成水供给氢气，正在化学反馈器中停行二氧化碳高效回复复兴，正在生物反馈安置中分解淀粉。并且欲望取相关钻研所、大学和企业等翻新力质删强竞争，推进人工分解淀粉工程化进程。

　　“中国科学院将集成相关科技力质，一如既往地撑持该项钻研深刻推进。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪默示，后续钻研团队还须要尽快真现从“0到1”到“1到10”的冲破和“10到100”的冲破，最末实正处置惩罚惩罚人类展开面临的严峻问题。