人类首次！中国科学家用二氧化碳制造淀粉，比种庄稼更快更高效|有机物|人工合成|催化剂
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来源：环球科学
作者：环球科学
近期，中国科学院的科学家做出了突破性的研究，通过一种比植物光合作用更有效的人工合成方式，将二氧化碳直接转化为了淀粉。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/j.joule.2018.08.016
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/science.abh4049
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/science.abh4049
https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.003
https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.08.016
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaq1012