用二氧化碳合成澱粉？中國科學家今天靠這技術霸榜了科技圈！_風聞

本文原創於微信公眾號：差評  作者：差評君

　　今天知乎的科技熱榜被一則消息給霸屏了，內容是我國科學家成功用二氧化碳人工合成了澱粉。

　　話説二氧化碳和澱粉這兩個詞我們天天都聽，但估計你怎麼都不會想到，温室氣體的罪魁禍首竟然能合成出我們每天都吃進肚子裏的澱粉？

　　相信大家都會疑惑，這事到底真的假的？他們是咋做到的 ?

　　首先，這事絕對靠譜，而且是世界人工合成澱粉領域的原創性、顛覆性的突破。

　　並且在今天凌晨，這個研究成果已經被刊登在頂級科學期刊《 Science 》上，該期刊的學術出版合作總監稱：人工合成澱粉，是生物合成、生物製造領域的一個重大的歷史性突破。

　　所以，咱今天就來聊聊為什麼我們要花六年時間來鑽研人工澱粉合成技術，而且這技術到底牛逼在哪？

　　澱粉大家都不陌生，我們平時吃的米飯、玉米、大米等穀物中，最重要也是最基本的物質就是澱粉，它可以分解成糖類，為人體補充能量。

　　其次，澱粉還是重要的工業原料，是造紙、製作塑料等許多日用品的原始材料。

　　但我們的澱粉都是從哪來的呢？幾乎全部依賴於植物的光合作用。

　　主要是通過玉米、小麥、紅薯等農作物通過光合作用產生澱粉，並且這個過程相當複雜。

　　植物們只能利用空氣中低濃度的二氧化碳（ 0.04% ）、低能量密度的太陽能，並且需要 3 - 4 個月的生長週期，而且合成路徑十分複雜，需要經過六十多道工序才能產生澱粉。

　　所以天然光合作用的生產效率是極低，自然界中植物的光合作用，理論的能量轉化率僅為 2% 左右。

　　本來依靠天然光合作用的澱粉產量就賊低，現在還面臨着耕地不斷減少的情況。

　　拿我們國家來説，我們的耕地面積僅有 150 萬平方千米，佔國土面積的 16%，沙漠、海洋湖泊佔了不少地方，壓根就種不了地。

　　就算放眼全球，在亞非拉美等國家，糧食問題一直都很嚴峻。

　　人工合成澱粉是個解決這一難題的新希望。

　　我們再回頭看另一個主角二氧化碳，聊它必然離不開的就是全球變暖。

　　先不説什麼尾氣排放、工業生產帶來的碳排放有多大，大家每天也看得見摸得着。

　　我們拿 2019 年巴西境內的那場亞馬遜雨林大火來説。

　　大火之前的 20 年裏，整個亞馬遜雨林每年為地球減少 17 億噸的二氧化碳排放量，然而單是因為 2019 年的那場大火，亞馬遜雨林就已經排放了超過 36 億噸二氧化碳。

　　這 36 億噸，放到 2018 年就是全球碳排放總和的十分之一。

　　並且因為二氧化碳的過度排放，在過去 100 年裏，全球氣温已經上升了 0.85 攝氏度，海平面上升了 1.5 米。

　　專家預測，如果二氧化碳排放量再不加以控制，到了 2500 年，僅南極冰川融化就能使海平面上升 15 米。

　　所以各個國家為了減排，真的是費盡心力，什麼碳獎勵、碳收集、碳固化，連大家在螞蟻森林的沙漠裏種的一棵棵沙棘樹也是為了減少碳排放。

　　那這左手是人見人惡的二氧化碳，右手是人見人愛的澱粉。

　　如果能把二氧化碳成功的轉換成澱粉，“ 一拍即合 ”，無疑是一件皆大歡喜的好事。

　　來自中國中科院天津工業生物所科研團隊，成功的讓這件事看到了希望，他們實現了二氧化碳人工合成澱粉從 0 到 1 的突破。

　　咋實現的呢？其實跟我們高中學的光合作用原理相似，科學家們對光合作用進行了一波改造。

　　上面這個光合作用化學方程式大家一定不陌生，其中起關鍵作用的是這個叫葉綠體的傢伙。

　　之前提到的天然光合作用生產澱粉，有六十多道工序才能完成，需要各種酶的催化反應，一步一步的將二氧化碳轉換成澱粉，效率低而且產量也不高。

　　所以科學家們就想，那我們能不能簡化這道工序，不要葉綠體，直接用化學技術加生物催化技術完成從二氧化碳到澱粉的轉化呢。

　　第一個難題，自然界的光合作用有太陽光來提供能量，那人工合成用什麼提供能量呢？

　　也是太陽，不過還有個核心技術加持，“ 液態陽光 ” 技術。

　　就是把太陽能轉化為電能，通過電解制氫的技術產生氫氣，再通過化學手段把二氧化碳和氫氣轉化為甲醇或一些溶於水的一碳化合物，它們是人工合成澱粉的基礎材料。

　　説白了就是把太陽光轉換成了液態燃料，實現了從光能 — 電能 — 化學能的轉化。

　　這一過程的能量轉化效率超過 10%，遠超光合作用的 2%。

　　第二個難題，則是如何通過優化酶和化學反應過程，來超越大自然光合作用的合成效率，讓這件事帶來的經濟性遠高於種地。

　　化學反應咱就不多説了，至於酶，則是一種催化劑，它能夠加速二氧化碳到澱粉之間的轉化過程。不管是加快反應速度，還是減少反應步驟，都離不開對酶的優化。

　　先來看看合成人工澱粉的 1.0 版本，也可以稱為試水版本。

　　科學家通過技術手段，成功的從 31 種不同物種身上提取到了 62 個生物酶催化劑，並且在解決（ 熱力學不匹配、動力學陷阱等 ）一些問題後，成功通過這些提取出來的酶，在實驗室裏合成出人工澱粉。

　　但這個版本還是不夠簡潔快速，所以科研人員又弄了個 2.0 版本，算是優化版本。

　　這個版本採用蛋白質工程改造技術，剃除了合成過程中幾個拖後腿的難題，（ 比如限速酶活性低、輔因子抑制、 ATP 競爭等問題 ）。

　　2.0 版本的生物酶催化劑用量相較於之前減少了近一倍，澱粉的產率提高了 13 倍。

　　但這還沒結束，還有個終極版本 3.0。

　　因為在之前的澱粉製作過程中有個叫甲醛酶的小弟需要高濃度的甲醛才能工作，為了防止甲醛對其它酶的破壞，所以研發了具有化學反應單元和酶促反應單元的 化學酶促級聯繫統，成功避免了甲醛危害其它酶類。（ 解決了底物競爭、產物抑制、中間產物毒性等問題 ）

　　通過對比吸收峯和核磁共振信號發現，通過 3.0 版本人工合成的澱粉無論是成分還是理化性質，與天然澱粉幾乎一模一樣。

　　3.0 正式版本的澱粉產率相較於之前又提高了 10 倍，而且使用人工合成方法，從太陽能到澱粉的能量效率轉化是玉米的 3.5 倍，澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的 8.5 倍。

　　通過科研團隊的介紹，在充足能量供給的條件下，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 畝土地玉米種植的平均年產量。

　　這一技術的成熟，不僅會解決糧食短缺的問題，還將給另外一個行業帶來革命性的改變，太空移民。

　　你還記得當年從月球上帶回來的土壤嗎，當天的熱搜就是，這月壤裏種不出土豆。

　　但如果可以人工合成澱粉，那就沒必要再帶種子或者泥土上太空，甚至還得費勁的專門搭一個温室棚子來種植農作物，以後可以建個廠子就直接人工合成澱粉。

　　而且可別忘了，火星大氣層的主要構成就是二氧化碳，佔比高達 95%。

　　這樣暢想起來，人工澱粉合成技術真的能給我們生活帶來許多改變，但是有個顧慮也不得不提。

　　成本問題。

　　首先就是人工合成澱粉的能量消耗，如果單純的依靠我們一開始提到的 “ 液態陽光 ”，目前還遠遠不夠，入不敷出。

　　其次，上面提到的關鍵先生，酶，它的身價也是相當高。

　　首先酶的生產技術要求極高，整個運輸、保存、提取、分離、鑑定等流程都必須是嚴格的無菌環境，我國具備特種酶生產資格的企業也少之又少，所以特種酶的價格早已經超過黃金，一試管酶可能就要大幾千甚至上萬。

　　所以如何提高能源利用率，降低酶的使用成本，或者鑽研固化酶等技術，都還需要腳踏實地一步步的走下去。

　　最後，在昨天中國科學院舉行的新聞發佈會上，來自中科院天津工業生物所的科學家們稱：

　　“ 人工合成澱粉技術是個影響未來的顛覆性技術，一旦將這一成果推向產業化的應用，它的經濟性可以無限接近傳統的農業種植 ” 。

　　也就是説，一旦實現了，那麼我們能夠解決由於種不了地帶來的許多問題。

　　但目前來看，在解決之前的成本問題之前，咱們這玉米土豆該種還是要種，哪怕是這技術某一天真的成熟了，應該也是先考慮替代工業澱粉。

　　所以你要是看到這新聞就想準備躺着 “ 喝西北風 ”？勸你還是趕緊起來上班。

　　圖片、參考資料來源：

　　中國科學院 — 從二氧化碳到澱粉人工合成研究取得原創性突破

　　中國科學院大連化學物理研究所 — 液態陽光技術

　　Science — Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide 

　　Science — Comment on “ Recent global decline of CO2fertilization effects on vegetation photosynthesis ” 

　　知乎 — 我國科學家突破二氧化碳人工合成澱粉技術，這一突破對當下及未來會產生哪些影響？

　　人民日報 — 跨越式突破中國首次在實驗室實現人工合成澱粉

　　cnBeta — 亞馬遜雨林變身污染源？外媒：已成碳排放源頭之一

　　百度圖片：亞馬遜熱帶雨林；火星種土豆；全球變暖；植物光合作用；試管酶