二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)新突破，“喝西北風(fēng)”成為fashion的時(shí)代還遠(yuǎn)嗎？

近日，我國科學(xué)家突破二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)，這是我國繼上世紀(jì)60年代在世界上首次完成人工合成結(jié)晶牛胰島素之后，中國科學(xué)家又在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

這是我國科學(xué)領(lǐng)域的第二次巔峰突破，合成的可是淀粉這種復(fù)雜有機(jī)物，這也是我們糧食的主要成分！

這真的是顛覆性科技，“喝西北風(fēng)”也許會(huì)成為fashion（哈哈）！今天就來和大家解讀下這份重大的科技突破~

01，此次合成的特點(diǎn)

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這篇論文題目是《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》

從題目中可以看出，這個(gè)合成最大的特點(diǎn)是：不使用細(xì)胞（cell-free）。因?yàn)樵谧匀唤缰?，用?xì)胞是可以從二氧化碳來合成淀粉的，相信你一定知道，這就是著名的光合作用嘛。

但是，光合作用的問題是，必須要有葉綠體的細(xì)胞生物才能完成，對于地球上絕大多數(shù)生物來說，這就是植物以及部分動(dòng)物，那要求就非常的多了。

而這次研究的特點(diǎn)就是：純工業(yè)/實(shí)驗(yàn)室合成。

這個(gè)研究的路線圖如下：

簡單的說一下，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的做法是：

首先將二氧化碳用無機(jī)催化劑還原為甲醇。

然后甲醇被轉(zhuǎn)換成為三碳

接下來是三碳合成六碳

最后，聚合成為淀粉。

和標(biāo)準(zhǔn)天然淀粉對比，其結(jié)構(gòu)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淀粉非常接近了。

下圖是合成的淀粉實(shí)物圖。

02，淀粉合成的意義

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淀粉合成的意義，我們從小往大來說：

1，步驟簡單

這次合成只需要不多的步驟，而與之對比，自然界中生物從二氧化碳合成淀粉，需要大約60個(gè)生化反應(yīng)，且需要復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)。

而這個(gè)人工合成，大概11個(gè)步驟。

這里需要特別注意的是，科學(xué)家們并不是將60多步刪刪減減，就得到11步，而是重新設(shè)計(jì)出了一條路。他們首先從很多種生物的生物化學(xué)反應(yīng)中，計(jì)算出了一條極簡路徑，但是這個(gè)路徑是計(jì)算出來的，實(shí)際操作中各個(gè)步驟之間不太兼容，比如所需要的反應(yīng)條件不太一樣?？茖W(xué)家們又通過模塊化思維，選擇不同的反應(yīng)過程，才摸索出了這條11步的反應(yīng)路徑。

2，速度快，效率高

這次實(shí)驗(yàn)室合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍

In a chemoenzymatic system with spatial and temporal segregation, ASAP, driven by hydrogen, converts CO2to starch at a rate of 22 nanomoles of CO2per minute per milligram of total catalyst, an ~8.5-fold higher rate than starch synthesis in maize. 理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。這條新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植向工業(yè)制造轉(zhuǎn)變成為可能，為從CO2合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

此外，根據(jù)報(bào)道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率約為2%（玉米），而工業(yè)合成效率可以達(dá)到10%以上。

受天然光合作用的啟發(fā)，科研人員在太陽能分解水制綠氫的技術(shù)上，進(jìn)一步開發(fā)了高效的化學(xué)催化劑，把二氧化碳還原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物（也就是C1），完成了光能——電能——化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，該過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率（2%），也為后續(xù)進(jìn)一步采用生物催化合成淀粉奠定了理論基礎(chǔ)。

3，遠(yuǎn)景

解決農(nóng)業(yè)問題，民以食為天，一直以來，農(nóng)業(yè)問題關(guān)乎了人類的生死存亡。而采用這種工業(yè)辦法，可以解決農(nóng)業(yè)所需的耕地、淡水資源，也能夠避免農(nóng)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，剩下五分之四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(yán)峻。

有了這種技術(shù)，高山峽谷，沙漠，冰原，這些地方都可以成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)地。

自古以來我國的漕運(yùn)體系，都是需要非常忙碌的轉(zhuǎn)運(yùn)糧食等物資，而有了這項(xiàng)技術(shù)，北方甚至更北的地方直接可以生產(chǎn)淀粉了，那南北的差距也可以得到很好的緩解。

4，溫室問題？全球變暖呢？

全球變暖可以說是這些年來一直困擾全人類的問題

讓很多人一直擔(dān)憂，而造成全球變暖的核心因素在于二氧化碳這種溫室氣體。

工業(yè)生產(chǎn)，汽車排放等等都是導(dǎo)致二氧化碳增多的因素，雖然植物一直在持續(xù)固定二氧化碳，但是還是比不上二氧化碳的排放。

但是有了這種技術(shù)，那直接把二氧化碳固定下來，這效率比農(nóng)業(yè)和植物快多了，那是不是溫室氣體問題就可以解決了？

5，更遙遠(yuǎn)的未來

空間站，甚至走向宇宙都是可以解決的。過去我們預(yù)想中的解決宇宙遠(yuǎn)行問題，必須攜帶糧食，要不就是讓人類進(jìn)入冬眠來減少能量消耗。

而即便進(jìn)入了宇宙深處，只要醒來，那總是需要糧食的。所以才有了很多外星種田的科幻，比如去火星種土豆的《火星救援》。

可是有了人工合成淀粉，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(guān)材料，直接合成淀粉。

比如，火星大氣主要是二氧化碳，比例高達(dá)96%，那簡直是新的糧倉啊。

而且，二氧化碳本身還是人體代謝的廢物，可以直接循環(huán)起來。

6，一個(gè)問題：能量！

淀粉到二氧化碳，是一個(gè)逐步放能的過程。

然后葡萄糖再變成二氧化碳

而這一步相當(dāng)于逆流而上，必然需要能量。

那么，能量從何而來？

其實(shí)，和很多人想象的不同，這個(gè)研究的重大意義之一，就在于，他們采用的能量就是太陽能。

這也是本文的另一個(gè)合作單位中科院大連化物所的“液態(tài)陽光”——把太陽能變成液體燃料，科學(xué)家們形象地稱其為“液態(tài)陽光”。這一技術(shù)是由中科院大連化物所的李燦院士主導(dǎo)研究。

當(dāng)然，這里的能耗肯定要超出這個(gè)需求，所以需要額外能源。目前研究很多的新能源，尤其是核能了，希望50年能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變。

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最后，我想一定會(huì)有人說，這技術(shù)離應(yīng)用還早呢，這是必然的，但是這種重要性，相信誰都看得到。

曾有一個(gè)貴婦人質(zhì)問電的發(fā)現(xiàn)者法拉第:“電有什么用呢?”法拉第巧妙地反問道:“新生嬰兒有什么用呢?”

ps：不要輕易覺得自己比science聰明哈

論文鏈接：DOI：10.1126/science.abh4049