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自然环境|从0到1的突破！人工合成淀粉的意义与前景( 二 )

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技术路径
用二氧化碳人工合成淀粉 ， 这项颠覆性技术是如何炼成的？马延和告诉采访人员 ， 从能量角度看 ， 光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能 。
可如何更高效地将光能转变为化学能？模拟和借鉴自然过程 ， 构筑新的人工光合途径 ， 科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式 ， 首先通过光伏发电将光能转变为电能 ， 通过光伏电水解产生氢气 ， 然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇 ， 将电能转化为甲醇中储存的化学能 ， 该过程的能量转化效率超过10% ， 远超光合作用的能量利用效率 。
甲醇储存了来自太阳能的能量 ， 但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程 。 于是 ， 科研人员又利用合成生物学的思想 ， 从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP 。
为将设计蓝图变为现实 ， 科研人员还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 ， 最终合成了直链和支链淀粉 。
“这是实现人工光合作用合成淀粉的一种过程 。 ”马延和说 ， 从科学突破角度看 ， 这一人工途径的淀粉合成 ， 向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步 ， 为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础 。
从技术创新角度看 ， 通过发展高效的人工催化剂和生物酶 ， 研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新途径 。 按照20%的光电转化效率计算 ， 这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统 ， 理论能量转化效率可达7% ， 其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍 。
这意味着什么？蔡韬解释 ， 按照目前技术参数推算 ， 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(按我国玉米淀粉平均亩产量计算) ， “这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗” 。
应用前景
在江南大学原校长、中国工程院院士陈坚看来 ， 食品生产大约占据全球40%的耕地 ， 产生了25%的温室气体 ， 作为最主要的粮食成分之一 ， 淀粉的可持续供应是人类未来面临的重要挑战 。 这项研究成果将化学与生物的方法相结合 ， 采用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术 ， 从二氧化碳直接合成淀粉 ， 完全颠覆了传统的淀粉生产方式 。 这项研究工作是典型的从“0到1”的原创性成果 ， 不仅对未来的农业生产 ， 特别是粮食生产具有革命性的影响 ， 而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义 。

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