近期，中國科學院天津工業生物技術研究所在澱粉的人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成，相關工作於2021年9月24日發表於國際頂尖雜誌《科學》。

我國實現從二氧化碳到澱粉的全合成，為國際上首次

原標題：從0到1 ，中國科學家首次在實驗室實現人工合成澱粉

澱粉是糧食的主要成分，難道說這項技術讓「喝西北風」成為現實了？

突破二氧化碳人工合成澱粉技術，對未來會產生哪些影響，到底有多重要？

我們先來看看官方的評價：

這是繼上世紀60年代在世界上首次完成人工合成結晶牛胰島素之後，中國科學家又在人工合成澱粉方面取得重大顛覆性、原創性突破——國際上首次在實驗室實現二氧化碳到澱粉的從頭合成。

這個合成最大的特點是：不使用細胞（cell-free）。 在自然界中，通過光合作用，細胞可以將二氧化碳合成澱粉。

但光合作用的問題是，必須要有葉綠體，對於地球上絕大多數生物來說，只有植物以及部分動物才能完成。

而這次研究的特點就是：純工業/實驗室合成。

這個研究的路線圖如下

簡單的說一下，這個實驗的做法是：

首先將二氧化碳用無機催化劑還原為甲醇，然後將甲醇轉化成為三碳，接下來再將三碳合成六碳，最後，聚合成為澱粉。

和標準天然澱粉對比，其結構基本一致。

無論是吸收峰，還是核磁共振信號，都佐證了這種合成和天然澱粉非常接近了（圖片來源：作者提供）

合成的澱粉實物圖（中國科學院科技攝影聯盟供圖）

人工合成澱粉的意義有多大？

我們從小往大來說：

1。 步驟簡單

自然界中生物從二氧化碳合成澱粉，需要大約60個生化反應過程，且需要複雜的生理調節，而這次人工合成只需要11個步驟。

2。 速度快，效率高

這次實驗室合成的速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。

理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於我國5畝玉米地的年產澱粉量。

這條新路線使澱粉生產方式從傳統的農業種植向工業製造轉變成為可能，為從二氧化碳合成複雜分子開闢了新的技術路線。

此外，根據報導，這個合成效率也高。 自然界合成澱粉的效率約為2%（玉米），而工業合成效率可以達到10%以上。

3。 遠景

民以食為天，一直以來，農業問題關乎人類的生死存亡。 而採用這種合成辦法，可以解決農業所需的耕地、淡水資源問題，也能夠避免農藥和化肥等的使用，改善糧食安全。

我國的耕地面積為150多萬平方千米，占國土面積的16%左右，也就是說，不到五分之一。 其餘的國土面積都是不能作為耕地的，這也使得我國的糧食問題一直非常嚴峻。

有了這種技術，高山峽谷，沙漠，冰原，這些地方都可以成為農業產地。

自古以來，我國的漕運體系，需要非常忙碌的轉運糧食等物資，而有了這項技術，很多沒有種植作物條件的地方也直接可以生產澱粉。

4。 溫室問題，全球變暖

全球變暖可以說是這些年來一直困擾全人類的問題。

造成全球變暖的核心因素在於二氧化碳這種溫室氣體。

工業生產，汽車排放等等都是導致二氧化碳增多的因素，雖然植物一直在持續固定二氧化碳，但還是比不上二氧化碳的排放。

有了這項技術，可以直接把二氧化碳固定下來，這效率比農業和植物快多了，那豈不是溫室氣體問題就可以解決了？

5。 更遙遠的未來

空間站，甚至走向宇宙有了保障。

過去我們預想中解決宇宙遠行問題，有兩種方案：一是攜帶足夠多的糧食;其次是讓人類進入冬眠來減少能量消耗。

但只要醒來，總需要糧食。

很多科幻都有外星人種田的場景，比如去火星種土豆的《火星救援》。

如果有了人工合成澱粉技術，那這些問題都可以得到很好的解決。 甚至在不毛之地，只要有二氧化碳和相關材料，就可以直接合成澱粉。

比如，火星大氣主要是二氧化碳，比例高達96%，那簡直是新的糧倉。

而且，二氧化碳本身還是人體代謝的廢物，可以直接循環起來。

6。 一個問題：能量！

澱粉到二氧化碳，是一個逐步放能的過程。

然後葡萄糖再變成二氧化碳

而這一步相當於逆流而上，必然需要能量。

那麼，能量從何而來？

可能這就需要新能源，目前我國也在積極研發新能源，尤其是核能，希望50年能夠實現可控核聚變。

需要強調的是，目前的研究成果還處於實驗室階段，這項技術離應用還早。

但這項技術是從0到1的突破，重要性是不言而喻的。 就像當初法拉第發現電磁感應現象的時候，曾有一個貴婦人質問他：「電有什麼用呢？ ”

法拉第巧妙地反問道：「新生嬰兒有什麼用呢？ ”

出品：科普中國

製作：李雷

監製：中國科學院計算機網路資訊中心

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