我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术，这一突破对当下及未来会产生哪些影响？ 第2页

论文可以在Scihub下载，DOI 10.1126/science.abh4049

事先声明：我不是生化环材专业，但是英语还可以，论文里不涉及专业知识的部分还能看懂，本文部分参考了几位生化环材方向专业朋友的意见。

简单点说，反应过程就是：

CO2→C1（分子内1个碳原子的有机物，下同）→C3→C6→Cn（即淀粉），从无机物到有机物的过程是第一步。

团队对ASAP（artifical starch anabolic pathway，人工淀粉合成路线）进行了多次迭代

• ASAP1.0解决有和无的问题，上面链条的每一步都有多种不同的路径选择，最终选择了CO2→甲醇的这条路线

• ASAP2.0优化了反应效率
• ASAP3.0（最终版）将化学反应（CO2氢化）和后续的生物酶反应结合起来
• ASAP3.1：在最后一步使用了从Vibrio vulnificus（一种弧菌）中获得的酶（Starch Branching Enzyme）来生成更接近现实中淀粉结构的直链-支链淀粉比例。

不过需要注意的是，目前这个合成路线还是实验室阶段，ASAP3.0的生产效率是410mg/L/小时。

By using spatial and temporal segregation of steps, ASAP 3.0 achieved a high starch productivity of ~410 mg liter−1 hour−1 from CO2

同时反应中使用了大量生物酶，对于反应条件的要求会比化学催化剂更加苛刻。

至于能量转化效率，论文是这么说的，但是由于不是我的专业，只能等待方家解读了。

简单总结就是：

一项突破性成果，但是距离规模化工业生产还有一段距离，现在就想着“喝西北风”还早得很。

感谢科研人员们的努力，期待更多的好消息。

当下跟双黄连体外试验杀死新冠差不多。未来应该是超越人工合成胰岛素的伟大发明。

朋友下载了论文，我才带专学历，没看懂。直接洗稿群聊：

1，是酶化学，不是全化学合成。酶很贵，而且反应条件异常苛刻，反应温度可能相差一两摄氏度就不行了。如果是全化学合成，或许可以通过加大投料、提高反应温度和反应装置压力等方式提高反应速率。酶化学就没得搞了。

2，反应需要二氧化碳和氢气。氢气在当前很贵且存在储运难度。或许第一个商业化示范产线可以找个排放二氧化碳和废氢的化工厂就近取材。但是大规模应用的阶段必须解决氢气来源问题。

3，“能源充足”基本上是个伪命题。假如能源充足，我们可以直接从空气中提炼石油。

纳布·格拉姆(1826-1901)，比利时•法国发明家，1870年发明工业用电动机，被称为“电动机之父”。传说，当格拉姆向巴黎上流社会展示自己的发明时，一位贵妇不怀好意的发问：“请问您的发明能做些什么呢？”工人出身、学历不高的格拉姆不卑不亢的说道：“夫人，请问一个刚出生的婴儿能做些什么呢？”

【重大突破！我科学家首次实现二氧化碳到淀粉的人工合成】淀粉是人类最基本和最重要的食物，也是重要的工业原料。传统淀粉的生产主要靠玉米等农作物通过光合作用，将二氧化碳等无机化合物合成为淀粉，需要漫长的生长周期，对土地、水、肥料、日照等资源都有要求，能量的转化率也不高。

中国科学院天津工业生物技术研究所和中国科学院大连化学物理研究所的科学家们合作，探索出一条“无中生有”的技术路线，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉分子的全合成。相关工作9月24日发表于国际学术期刊《科学》上。

多位中外专家评论认为，不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。这更让人们看到一种可能——农业可以由种植模式向工业车间生产模式转变，人类向设计自然、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。

目前，这一成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离。据介绍，科研人员正在针对工业化的问题进行攻关，比如解决酶的稳定性、活力、成本等问题，探索多条技术路线等，预计未来5到10年能够建立起工业化示范装置。（光明日报全媒体记者齐芳）

开启未来世界的关键钥匙共有两把：无限的能源，以及无限的食物。

现在看来人类已经掌握了一把，还差另一把。

如果两者同时具备，人类就可以不依赖于光合作用这种缓慢的合成方式，不受气候地理限制，直接在世界各地的工厂里高效率的生产食物、酒精、动物饲料、工业原材料等生活必需品，且不需要依赖长途输送。

与此同时，绝大部分的耕地都可以用来退耕还林，还原生态，改善环境。

由此可以很直观的得出一个结论，为了争夺生存空间而发动的战争也会彻底消失了，人类大同指日可待。

可以说，从人类文明诞生的那一刻起，人类就在期望着这样的世界到来。

当然，也不必对于寻找剩下那把钥匙过于悲观。

以目前人类的科技水准，即使是裂变堆的潜力也还远远没有发掘完，就算可预见的未来不能通过聚变堆获取无限能源，如果能用更多新型裂变堆发电厂取代现有的火力发电厂，人类的能源供应也可以达到一个远远高于现在的水准。

如果这个人工合成淀粉的技术能够得到进一步的改良，能源利用率再提高一些，那么配合未来大量普及的四、五代堆电厂，未尝不能在一定程度上改善粮食、燃料等方面的供应，从而缓解环境压力。

当然，最关键的还是要看我们的科学家们能否在可控核聚变发电领域取得进一步的进展了。

@鱼昆

所有的赞誉归于科学家，愿他们得到更多的皮卡牛排大豪斯。

PS：这技术难道不该给个炸药和平奖么？

这个描述看起来放在诺贝尔级别突破里面都排在前面的。

有改变世界的潜力啊，以后结合太阳能，沙漠变粮仓了？

《小灵通漫游未来》叶永烈著于1961年

…

　　在那些仪表旁边，写着一排排字：“人造淀粉车间”、“人造蛋白质车间”、“人造油脂车间”、“人造糖车间”、“成型车间”、“仓库”……她笑着说，“我是人造淀粉车间的车间主任，你就先到我们车间看看吧！”　…

很重要的工作。不要低估它的科学意义，但也不要过度解读淀粉的应用价值，文章提供的二氧化碳-葡萄糖合成路线比淀粉更重要。

首先讲科学意义：

1.真实世界的植物固碳通路，步骤繁琐：

目前我们的淀粉都是植物固碳，把二氧化碳（C1）通过Calvin循环最后形成C6化合物（譬如葡萄糖）。植物共有C3途径和C4途径两条固碳线路，我说了也不一定有人想看，我贴个图上来，让大家看看步骤有多繁琐。

植物固碳产生的葡萄糖，就可以直接利用了。但植物产多了，平时不用怎么办呢？那就囤起来呗。所以植物会在淀粉合酶的帮助下把葡萄糖聚合起来，形成淀粉，储存在种子、根茎等部位，以备不时之需。

2.之前很多人对人工固碳做了尝试：

之前有很多人尝试过将二氧化碳（C1）固碳形成多碳化合物。譬如用细胞固碳，有通过合成生物学优化固碳通路，提高生物固碳效率的^[1]，有优化大肠杆菌，用大肠杆菌固碳的^[2]，这两个都是生物固碳。

也有人把酶封装在液滴里，模拟出一个类叶绿体来固碳，这已经不是生物固碳了，它所使用的并非生命体^[3]；更有直接拿酶在纯体外固碳的^[4]。

3.国内这篇文章在人工体外固碳中是佼佼者：

目前这篇Science文章是拿酶直接在体外固碳，把繁琐的生物合成步骤，从几十步简化成十几步，化学合成路线做得短，是很聪明的做法，文章的科学意义很大^[5]。

另外，这篇文章并不是第一次纯体外固碳，但它从无机到有机和2016年那篇Science做的不一样，要关注一下这点。

我们可以简要理解下文章里的合成路线，注意这里不是纯无机合成，很多用到的催化剂都是酶：

很多人把文章意义放在产生淀粉上，但二氧化碳（C1）到葡萄糖6磷酸（C6）的合成路线优化更香啊！

然而由于淀粉更接近于自然粮食。文章把固碳做到了淀粉，我觉得更多是为了让整个文章的最终产物更接近自然粮食，文章升华。但这篇文章最大的价值还是在从二氧化碳（C1）到葡萄糖（C6）上。

其次说说应用价值，大家都把注意力放在淀粉上，但实际上这文章最重要的不是产生葡萄糖吗？

1.提供能量？用葡萄糖就够了啊：

淀粉不是人消化吸收最好的能量来源。

人在消化吸收淀粉时，会先将多聚葡萄糖（淀粉）转化为二糖，之后再转化为单糖，最后被人体吸收。供能用葡萄糖效率更高，不需要用淀粉。所以你看我们都会直接注射葡萄糖。

但淀粉有什么好处呢？淀粉给了缓慢吸收的过程。

长期葡萄糖输注，会导致你血糖升得快，降得也快。我来了，我走了，我又来了，我又走了。然后你的胰岛气到爆炸，每天都是007不停产胰岛素。

最后你胰岛素抵抗，变成糖尿病。

淀粉比葡萄糖好一些，它吸收需要步骤，所以升糖慢，对胰岛细胞压力没那么大。这只是相对于葡萄糖而言。大家保护胰岛，建议多吃粗粮。

但真到了粮食紧缺的时候，不会使用淀粉，而会直接使用葡萄糖。因为到了紧急关头，什么能源最直接、最便宜，就用哪个。

2.吃人工淀粉，满足不了挑剔的胃：

我猜这里的人工淀粉大概率不好吃。前面提到，不同淀粉合酶有的形成支链，有的形成直链，造成了淀粉不同口感。

支链淀粉聚合的葡萄糖比较多，想象成一坨乱糟糟的线，吸水能力更强，含支链淀粉多的米饭水润蓬松（也就是穷苦生物民工最爱吃，也不得不吃的软饭）。

直链淀粉吸水能力差，含直链淀粉多的米饭硬实弹牙，可以用来做蛋炒饭，饭要粒粒分开，还要沾着蛋。

不同淀粉，聚合的葡萄糖个数不同，支链和直链比例不同，产生了丰富的口感。这是人工淀粉无法代替的。

最后综上，这是一项科学意义重大的工作。

但要注意重点是葡萄糖，葡萄糖，葡萄糖，而不要只看到淀粉。

参考

1. ^ A. Bar-Even, E. Noor, N. E. Lewis, R. Milo, Design and analysis of synthetic carbon fixation pathways. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 8889–8894 (2010).
2. ^ A. Satanowski, B. Dronsella, E. Noor, B. Vögeli, H. He, P. Wichmann, T. J. Erb, S. N. Lindner, A. Bar-Even, Awakening a latent carbon fixation cycle in Escherichia coli. Nat. Commun. 11, 5812 (2020).
3. ^ T. E. Miller, T. Beneyton, T. Schwander, C. Diehl, M. Girault, R. McLean, T. Chotel, P. Claus, N. S. Cortina, J.-C. Baret, T. J. Erb, Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts. Science 368, 649–654 (2020)
4. ^ T. Schwander, L. Schada von Borzyskowski, S. Burgener, N. S. Cortina, T. J. Erb, A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro. Science 354, 900–904 (2016).
5. ^ Cai T, Sun H, Qiao J, Zhu L, Zhang F, Zhang J, Tang Z, Wei X, Yang J, Yuan Q, Wang W, Yang X, Chu H, Wang Q, You C, Ma H, Sun Y, Li Y, Li C, Jiang H, Wang Q, Ma Y. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science. 2021 Sep 24;373(6562):1523-1527. doi: 10.1126/science.abh4049. Epub 2021 Sep 23. PMID: 34554807.

这是中国真正需要的科技研发。

60年前，写未来小说，就希望以后能人工制造淀粉，当时想的是人造叶绿体。

这个东西，目前成本很高，没有什么商用价值，也就是继续研发。

但是，有这个东西，在饥荒时刻，是可以解决吃饭问题的。

1961年在收集了许多当时科学技术新成就编成的书稿《科学珍闻三百条》基础上，写成了这部作品 原名《小灵通的奇遇》取自对他影响很大的《木偶奇遇记》等童话

吃完早饭以后，我就催着小虎子按照昨天的计划，陪我去参观人造粮食厂。小燕一听说，也争着要去。于是，我们三人坐着一辆飘行车，由小虎子驾驶，直奔人造粮食厂。　

　　车子穿过市中心开向东郊。这时，正是上班时间，路上来来往往都是飘行车，天上的小型直升飞机像成群的蜻蜓飞来飞去。　

　　约摸开了七八分钟，小虎子指着前面一排排绿色的大厦说：“小灵通，那就是人造粮食厂。”　

　　一转眼，我们就来到这些绿色大厦跟前了。小虎子熟门熟路，把飘行车一直往里开。　

　　人造粮食厂真古怪：一座座厂房几乎全是绿颜色，连房子的墙壁、屋顶也都是绿色的。　

　　在这些绿色的房子之间，常常夹杂着一个个又高又大的圆形反应罐。这些反应罐是用不锈钢做的，银光闪闪非常耀眼。看上去仿佛是在一片荷叶上，洒着亮闪闪的水珠。　

　　一路上，偶尔看到几个机器人在工作，却没看见一个工人。　

　　“上哪儿去找杨老师呢？工厂这么大，找人可不容易哪！”我对小虎子说道。　

　　“她呀，准是在总控制室。”小虎子说，“我每次来，都在那儿找到她。”　

　　总控制室倒很好找，因为它是一座独一无二的奶黄色的房子，在这群绿色的房子中，显得格外突出。　

　　车子开近总控制室时，小虎子突然把气门加大，飘行车往上一蹿，干脆就从敞开的窗口开了进去。　

　　“唷，又是你──小虎子。”一个留着短发、脸色红润、穿着白色工作服的阿姨说，“从窗口蹿进来的，我知道没第二个人，准是你这小调皮鬼。”　

　　我仔细一看，这阿姨很面熟，她不是别人，正是小虎子的妈妈！小虎子对我来个“保密”，只说“杨老师”，压根儿没提杨老师就是他妈妈，为的是到时候叫我吃一惊。　

　　“妈妈，不，不，这儿不是家里，应该叫杨老师。”小虎子笑着说道，“今天多来了两个调皮鬼。”　

　　杨老师一见我跟小燕也从车里出来，非常高兴，就连声对我说：“欢迎，欢迎，小记者同志，欢迎你来参观我们的工厂。”　

　　我们先参观总控制室。这总控制室像一家钟表店──墙上满是一个个圆的、方的、扁的、长的仪表。另外，还闪烁着许多红红绿绿的小灯，像谁在那里放了一把焰火似的。　

　　在那些仪表旁边，写着一排排字：“人造淀粉车间”、“人造蛋白质车间”、“人造油脂车间”、“人造糖车间”、“成型车间”、“仓库”……　

　　杨老师看到我背剪着双手，昂着头，被墙上的这些字吸引住了，就拍了拍我的肩膀问：“我们的小记者，你打算采访哪个车间？”　

　　“我全都想看看。”我顺口说道。　

　　“全都想看看？你恐怕三天三夜也看不完！”她笑着说，“我是人造淀粉车间的车间主任，你就先到我们车间看看吧！”　

　　“行。”我同意了。　

　　我们四个人坐进了飘行车。这一回，由杨老师坐在前面驾驶。飘行车呼的一声从门口飞了出去。　

　　“杨老师，你们的车间在哪儿呀？”我问。　

　　“我们车间？这儿的每一座房子，都有我们车间的份儿──那些绿色的墙壁和屋顶，都是属于我们车间的。”杨老师说，“你知道这些墙壁和屋顶，为什么都是绿色的？”　

　　我摇了摇头。　

　　“这跟植物的叶子为什么是绿色的道理一样。”杨老师说，“在叶子里，有着绿色的叶绿素。庄稼全是仗着叶绿素这宝贝，才会制造养料。如今，在我们这儿，仿照庄稼的叶子，用透明的塑料做成墙壁和屋顶，在夹层中涂着人造叶绿素。这些人造叶绿素的本领，比天然叶绿素的本领还大。白天，有太阳光照射着；夜里，有人造小太阳灯照耀着。在这些绿颜色的墙壁中，发生‘光合作用’，制造大量的人造淀粉。像下鹅毛大雪似的往下飘，落到地下室里。然后，用管道送到人造淀粉仓库集中起来。喏，你瞧，那座拱形的房子，就是人造淀粉仓库。”　

　　说到就到，飘行车在人造淀粉仓库前面停了下来。杨老师领着我们朝里走，小虎子呢？他是这儿的常客，噔噔地抢先跑了进去。　

　　在门口，有四个一闪一闪的红字：严禁烟火。旁边，一个白色的塑料板上，还写着一行红字。当我走近时，这塑料板后面的扩音器，竟然自动地念了起来：“注意，注意，严禁穿硬底鞋进入仓库！”　

　　我连忙瞧了瞧自己的脚，幸好，穿着一双泡沫塑料凉鞋。　

　　“鞋底的硬软，跟严禁烟火有啥关系呢？”我真不懂。　

　　“关系大着呢！”杨老师说，“这儿是人造淀粉仓库。淀粉颗粒很小，会偶然飘散在空气中，一见火星就会燃烧，甚至会造成剧烈的爆炸。如果穿了硬底鞋，特别是那钉了铁掌的鞋，在仓库中走动，尽管地面是柔软的人造橡胶地板，但只要碰上硬东西，或者两只鞋自己相碰，就可能碰出火花来，那就会造成火灾，甚至会爆炸。”　

　　我轻轻地走进仓库，只见贮藏人造淀粉的玻璃房间一间挨着一间。在每间玻璃房间的顶上，都有一根圆圆的管道。雪白的人造淀粉，从管道里像瀑布似的倾泻下来。　

　　“这些圆管，就是从各个房子的地下室里过来的。”杨老师说。　

　　“这些人造淀粉是用什么东西作原料制成的呢？”我问道。沿路，我没有看见一辆运原料的汽车。　

　　“你知道，庄稼是用什么东西制造淀粉？”杨老师反问我。　

　　“庄稼是用二氧化碳与水作原料，经过光合作用，制成淀粉的。”我回答说。　

　　“我们制造人造淀粉的原料，跟庄稼一样，也用水与二氧化碳作原料。”杨老师说道，“我们所用的水，来自自来水厂──用自来水管输送过来就行了；二氧化碳是炼钢厂、发电厂的废气──废气中含有二氧化碳，也用管子输送过来。这两种原料在阳光和人造叶绿素的作用下，就变成了淀粉。”　

　　“原来是这么回事，简直像在变魔术嘛。”我这才明白，怪不得看不到一辆运输原料的汽车，因为原料是通过管道输送进来的。　

　　接着，杨老师带领我们到成型车间去参观。只见那雪白的人造淀粉，流进一台台银闪闪的成型机，在机器里打了几个滚，出来时就变成一颗颗滴溜圆、珍珠般的人造大米。　

　　“本来，这道工序没有也不要紧。”杨老师说，“这完全是为了照顾人们吃大米的习惯，才把人造淀粉再加工成一粒粒大米。不过，成型机只会做成球形的，不会做成普通大米那样两头小、中间大──橄榄形的，所以现在大家都把人造大米叫做‘珍珠米’。”