“空气变淀粉”不是“水变汽油”，但经济上还不可行

2021年9月24日，国际知名学术期刊《科学》在线发表了一篇轰动性的论文。中国科学家以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉。此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径，实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，跨越了自然途径数亿年的进化。通过核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

合成复杂有机物，不是新鲜事。1965年我国科学家完成了牛结晶胰岛素的合成，这是世界上第一次人工合成多肽类生物活性物质。不过，淀粉的意义更加特殊。

光合作用可以说是对地球生态圈最重要的机制之一。绿色植物利用太阳的光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并释放氧气的过程，称为光合作用。光合作用所产生的有机物主要是碳水化合物，是地球生态圈的食物链基础。

叶绿素把光能转化为的碳水化合物，除了供植物本身的生命活动，成为生态圈的食物链基础外，也是地球上化学能的源头性来源，煤炭、石油都是植物生成。油料、纤维、木材也是来自光合作用。没有光合作用，人类就没有食物和各种生活用品。

人类研究光合作用的历史很长。1771年，英国牧师、化学家J. Priestley就通过密闭钟罩试验，提出植物可以“净化空气”。不过，一直在二百多年后，20世纪初，人类对光合作用的分子机理研究才有了突破性进展，1915年Wilstatter等由于提纯叶绿素并阐明其化学结构获得诺贝尔奖。

光合作用产生的淀粉，由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成，是粮食的主要成分，也是广泛应用的工业原料（造纸、塑料等）。人类的淀粉来源，目前主要由玉米、小麦、红薯等农作物通过光合作用固定二氧化碳产生。在植物体内，这个过程涉及大约60步，复杂的生化反应。

光合作用自身效率并不低的，大约33%。但保持光合作用的条件比较复杂，水、温度、二氧化碳浓度等都有影响。另外，光合作用只在阳光直接照射到植物时才有，受到植物结构限制，大多数阳光从植物间隙漏过去了。所以，普通植物的太阳能利用率（能源转换效率）在2%左右。

中国这次发明的人工转换二氧化碳为淀粉，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。自然界中，玉米合成淀粉的效率约为2%，这就意味着工业合成效率可以达到7%。更形象地说，理论上1立方米大小的生物反应器，年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。一旦实现工业生产，也会彻底地改变人类社会的面貌。

或许有人会疑虑：人工合成的淀粉可以吃吗？

复杂有机化合物的性质，和自然中产生的都是一样的。目前市场上销售的维生素制剂，有些是从食物中提取并加以纯化、浓缩制造出来的天然维生素，有些是由人工合成方法生产的。如维生素B1是人工合成的硫胺、丙硫硫胺和呋喃硫胺等，药用维生素C和维生素K3、K4等也是人工合成品。无论是天然产品，还是人工合成品，它们在效果上没有差别。而且，通过这种淀粉制造饲料、喂养动物，通过动物转化为蛋白质，可以进一步减少这种风险。

有了这个新的化合路径，再加上基因工厂，就为未来的“细胞工厂”打开了一扇窗。酵母菌是当下使用得较多的通过基因改造生产化合物的细菌。简单地说，就是把酵母菌变为一个小小的化工厂。现在生产人胰岛素，就是先获得目的基因，然后构建基因工程酵母菌，然后酵母菌发酵，产物分离纯化得到产品，酵母菌就产生了人的胰岛分泌的胰岛素。有了这次研究作为基础，可以通过对细胞进行设计与改造，搭建一个淀粉合成的细胞工厂。

淀粉除了是食物的基础外，也是多种工业的原材料，所以，这意味着，这种技术有改变人类社会的潜力。

不过，这只是理论上的远期展望，因为人类社会是按照成本、收益运行的，还要考虑是否划算。在目前科学条件下，二氧化碳向甲醇的转变是关键的第一步。但这一步很贵，近十年，不管是催化剂、酶等等方式，没有大的突破。目前的工业条件而言，工业甲醇的成本都要每吨2000–3000元，合成淀粉还需要氢气，电解水产氢气也很贵，所以，不能光看转化效率，也要看转化成本。

实际上，现在的技术，甚至都还没有到计算成本这一步。现在的实验室成果，只能说从0到1，而工业化生产是从1到10、到100，这是一个漫长的过程。就像人类早就可以合成蛋白质了，但仍然还是要饲养家畜作为蛋白质来源。科学的道路就是这样，曲折而艰难，但美好的前景激励着科学家前赴后继。

刊于《南方周末》 |2021-09-30