从梦想到现实：人工合成淀粉的突破之旅

作者 段跃初 黄湘红

在当今世界，我们面临着诸多严峻的挑战，如气候变化、粮食安全以及能源资源短缺等。在寻求解决方案的道路上，一项令人瞩目的科学突破应运而生——人工合成淀粉。

中国科学院天津工业生物技术研究所内，一场关于未来的科学探索正在悄然展开。2018 年的一天，对于研究所的研发人员乔婧来说，是个永生难忘的日子。当她将碘液加入试管，那期待已久的淡淡蓝色出现了，这意味着淀粉成功合成。同一时刻，项目经理蔡韬从会议室飞奔回实验室，当他亲眼看到“淀粉蓝”时，悬着的心终于放下，喜悦之情溢于言表，同事们也纷纷鼓掌欢呼。

这一激动人心的成果源于一次深刻的思考。在出差回天津的高铁上，时任所长马延和脑海中突然冒出一个念头：“当今世界面临气候变化、粮食安全、能源资源短缺等挑战，如何把二氧化碳转化成对人类有意义且有市场价值的物质？”经过研究所的认真研判，人工合成淀粉项目于 2015 年正式提出。

接到攻关任务邀请时，蔡韬既兴奋又担忧。在自然界中，玉米、小麦、土豆等农作物通过光合作用将太阳光能、二氧化碳和水转化成淀粉，但这个自然过程需要大量的土地和淡水资源，且受天气影响极大。那么，能否模拟自然界淀粉的合成过程，通过技术手段实现人工合成淀粉呢？

最初，团队的思路是利用可再生能源分解水产生电子或氢，然后将二氧化碳还原为甲酸、甲醇等简单化合物，进一步通过酶催化简单化合物聚合生成淀粉。然而，在农作物中，淀粉的合成大约需要 60 步代谢反应，如果要进行工业化生产，必须简化步骤。蔡韬和团队与所内擅长生物设计的团队合作，从 6568 个生化反应中进行系统挖掘和筛选，分别从甲酸或甲醇出发，设计了最短的人工淀粉合成路径。理论上，二氧化碳仅通过 9 个主反应就能合成淀粉。

但实验的过程并非一帆风顺。三年的时间里，实验记录摞了半人高，团队成员的心情也随着实验的起伏而波动。其中最突出的问题出在“酶”上。自然界中的反应路径是经过长期自然选择进化而成，各个酶能够适配协作，而人工设计的反应路径则不同。为了调和酶之间的“矛盾”，蔡韬与专门研究酶的团队合作，对酶进行定向改造或人工设计新酶。

经过无数次的讨论、实验、推翻、再讨论、再实验，团队尝试利用甲醇中“氢燃烧”产生的能量驱动产生甲醛的反应，解决了反应中的热力学与动力学不匹配的问题，9 个主反应也相应被拓展到 11 个。

科学的积累是漫长的，但突破有时就在一瞬间。2018 年 7 月 24 日上午，那一抹“蓝”出现了，然而这只是人工合成淀粉的 1.0 版本。此后的几年，团队不断努力，完成了技术的迭代升级。如今，淀粉的生产强度较 1.0 版本提高了 136 倍，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍，并可根据需要实现不同类型淀粉的定向可控合成。

2021 年，人工合成淀粉团队在国际刊物《科学》杂志上发表了结合人工光合反应和生物酶催化反应构筑了从水和二氧化碳合成淀粉的新体系。这一成果被审稿专家评价为“一项里程碑式的突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。

这一突破不仅为解决全球面临的挑战提供了新的思路和可能，也让我们看到了科学的无限潜力。未来，人工合成淀粉技术有望在应对粮食安全、能源危机和环境保护等方面发挥重要作用，为人类创造更美好的明天。

人工合成淀粉的技术难点有哪些？

反应路径设计方面：

1. 缺乏天然模板：自然界中不存在从甲醇到淀粉这样完整的合成路径 ，需要完全从头构建，要从海量的生化反应中设计出合理且高效的仅11步的反应路径挑战极大。

2. 复杂的多步反应协调：即使设计出来，如何协调各步反应的速率、顺序、中间产物的传递等以保证整个流程的顺畅运行是个难题。

催化剂（酶）相关方面：

1. 酶的挖掘和筛选：从不同物种挖掘合适的酶是个复杂的过程。要从动物、植物、微生物等31个不同物种来源找到合适的62个生物酶催化剂难度大。

2. 酶的适配性：

- 不同酶之间的适配，人工合成途径中酶来自不同物种和环境，它们之间的协同配合难以达到自然界长期进化形成的天然体系那样完美适配。

- 酶与反应体系适配，酶催化的反应环境（如温度、酸碱度、离子强度等）要求与整体反应体系环境要求可能存在冲突。

3. 酶的稳定性和活性维持：

- 在反应进程中保持酶的活性不降低、不失活，尤其是在非天然的反应体系和多次循环反应中维持稳定的活性是个挑战。

- 酶的生产和保存条件苛刻也影响其在大规模生产中的应用。

工程化方面：

1. 规模化生产：从实验室少量合成到工业大规模反应器内的生产，涉及到反应体系的放大，如何保证反应条件（传质、传热、混合等）在大规模体系中仍能达到实验室小试的效果面临诸多工程难题。

2. 成本控制：

- 酶的制备成本高昂，难以实现工业上低成本、高效益的利用目标。

- 整个反应过程中能量供应（如电能等，如果依赖光伏发电电能转化效率以及成本等问题）、原料成本（二氧化碳和氢气等原料的获取和储存运输成本等）等综合成本控制难度大。

3. 产物分离纯化：合成的淀粉需要从复杂的反应体系中分离出来，并且要保证纯度等满足要求，而在大规模生产中分离纯化技术和成本都是难点。

原料方面：

1. 氢气的制备：如果合成过程中需要氢气参与，氢气的来源如果依赖于电解水等方式，其能源成本以及制备过程的稳定性等是问题。

2. 二氧化碳的高效利用：二氧化碳化学性质相对稳定，将其活化并参与反应的过程中，如何提高其反应活性和利用率也是技术难点。

检测与质量控制方面：

1. 过程监测：在复杂的反应体系中实时监测反应进度、酶活性状态、中间产物和副产物等，缺乏有效的技术手段和设备。

2. 质量把控：确保合成的淀粉与天然淀粉在分子结构、理化性质等方面完全一致，并保证批次之间的稳定性等，技术难度较大。

以下是人工合成淀粉技术未来的一些发展趋势：

技术优化方面

反应效率提升：

1. 持续改进催化剂（酶）性能，进一步提高淀粉合成的反应速率和转化率，缩短合成周期。

2. 对反应路径进行更精细的优化，减少不必要的能量损耗和副反应，提高能量利用效率和原料利用率，可能会发现新的中间反应步骤衔接方式以实现更高效转化。

3. 反应体系优化，如改进反应条件（温度、压力、酸碱度等）以更好地适应酶和化学反应的进行。

成本降低：

1. 开发更经济的酶生产技术和保存方法，降低酶在整个过程中的成本占比。

2. 提高能量供应（如电能等）的效率和降低其成本，比如通过新型能源技术或能源综合利用模式。

3. 降低二氧化碳的获取成本，以及原料运输、储存等相关环节的成本。

4. 随着技术成熟，反应器等设备的建设和维护成本也会逐步降低。

规模化与工业化

大型化生产设备：

1. 设计和制造更大规模、更高效的生产反应器和配套设施，实现从实验室级别到中试、再到大规模工业化生产的跨越。

2. 开发先进的自动化控制系统，确保大规模生产过程中的稳定性和安全性。

产业链形成：

1. 带动上下游产业发展，如上游的二氧化碳收集和净化产业、酶制剂产业、能源供应产业 ；下游的食品加工、材料制造等产业。

2. 形成完整的产业技术标准和规范体系，促进产业健康发展。

产品多元化

淀粉种类：

1. 不仅仅局限于常见的淀粉类型，能够合成具有特殊结构和功能的新型淀粉品种，满足不同行业的特殊需求。

2. 可以根据不同的应用场景（如食品的不同口感、工业材料的不同性能要求等）定制化合成淀粉。

产品拓展：

1. 除了淀粉本身，以淀粉为基础的衍生产品的开发和合成，如淀粉糖、糖醇等。

2. 结合其他技术生产复合产品，如淀粉 - 蛋白质复合材料等。

应用领域拓展

食品领域：

1. 逐步替代部分传统淀粉在食品中的应用，保障食品供应稳定性，特别是在一些特殊时期或地区。

2. 为食品研发提供新的素材和方向，比如开发新型的高淀粉含量的健康食品。

工业领域：

1. 在生物可降解材料领域占据重要地位，成为主要的原料供应源。

2. 推动造纸、纺织、胶粘剂等行业的技术革新和产品升级。

农业领域

1. 减少对传统农业种植淀粉作物的依赖，释放更多土地用于其他生态功能或种植其他高附加值作物。

2. 可以在极端环境（如太空站、沙漠基地等）中实现淀粉的生产，支持特殊场景下的农业需求。

能源与环保领域

碳减排贡献：

1. 更大规模地利用二氧化碳，为全球碳减排目标作出显著贡献，可能在未来碳交易市场中发挥更大作用。

2. 与可再生能源技术深度融合，构建绿色、可持续的能源 - 物质转化体系。

可持续发展：

1. 减少对水资源等的消耗和对环境的污染，助力实现可持续发展目标。

2. 推动循环经济发展，例如利用工业废气中的二氧化碳合成淀粉后再循环进入生产生活。