編者按：
習(xí)近平總書記指出：“實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革?！币獙崿F(xiàn)“雙碳”宏偉目標(biāo)，必須堅持“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，積極推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我們將收集多方信息，撰寫“技術(shù)進(jìn)步與綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展”系列文章，介紹一些產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿和技術(shù)進(jìn)步為此發(fā)揮的重要作用，以供參考。本文是此系列的第3篇。
實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)是艱巨的事業(yè)，如果僅依托既有的技術(shù)進(jìn)步，仍會面臨諸多不足，因此期待科學(xué)研究取得新的重大突破，開辟出更多的技術(shù)實現(xiàn)路徑。近期，傳來了一個令人振奮的消息，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物研究所聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所，經(jīng)過6年多研發(fā)，在世界上首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工合成。2021年9月，此項研究成果發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。今年2月，這一對于維護(hù)國家糧食安全和應(yīng)對氣候變化尤其是實現(xiàn)碳中和有著重大意義的原創(chuàng)性科研突破，被評為2021年度中國科學(xué)十大進(jìn)展之一。
一、淀粉的用途與自然來源
淀粉是人們在日常飲食中經(jīng)常攝入的一種物質(zhì)，作為糧食的最主要成分，既能為人體提供能量，又能為人體提供營養(yǎng)，是人類生存所必須，不可或缺。
淀粉還是重要的工業(yè)原料，被廣泛應(yīng)用于造紙業(yè)、紡織業(yè)、食品加工業(yè)、糖果工業(yè)和膠粘劑生產(chǎn)。較少為人所知的是，淀粉作為一種天然高分子,由于其價格低廉、可再生、生物降解性好等優(yōu)點,被廣泛地用于與低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料混合,制備可降解材料，緩解塑料不可降解所帶來的"白色污染"。隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境問題的加重,近年來,淀粉作為補強劑在橡膠中的應(yīng)用也越來越受到人們的關(guān)注
在自然過程中，淀粉基于植物的生長而形成。植物葉片經(jīng)過光合作用產(chǎn)生碳水化合物，經(jīng)篩管等結(jié)構(gòu)輸送到種子等部位，再經(jīng)過一系列復(fù)雜酶促等生化反應(yīng)后合成大分子淀粉。在人類文明的發(fā)展中，人們對一些高產(chǎn)的野生植物進(jìn)行了馴化，培育出水稻、小麥、玉米、土豆、紅薯等高產(chǎn)農(nóng)作物，通過農(nóng)業(yè)種植不斷復(fù)制這一自然過程，從而大量而穩(wěn)定地生產(chǎn)出各種富含淀粉的糧食。
二、人工合成淀粉的基本原理
農(nóng)業(yè)種植極為辛苦，還面臨洪澇災(zāi)害等風(fēng)險。因此，利用二氧化碳人工合成淀粉一直是人們的追求，這在科研中上屬于合成生物學(xué)領(lǐng)域。簡單來說，是先利用光伏，把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，然后用電能分解水，制成氫氣和氧氣。接著把二氧化碳和氫氣放在一起，通過催化劑制造出甲醇。最后把甲醇和一系列的酶進(jìn)行反應(yīng)，最終合成淀粉。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和所長等介紹了由11步核心反應(yīng)組成的人工淀粉合成途徑（ASAP）。該途徑采用類似“搭積木”的方式，通過耦合化學(xué)催化和生物催化模塊體系，實現(xiàn)了“光能—電能—化學(xué)能”的能量轉(zhuǎn)變方式，在實驗室實現(xiàn)了從二氧化碳和氫氣到淀粉分子的人工全合成。通過從頭設(shè)計二氧化碳到淀粉合成的非自然途徑，采用模塊化反應(yīng)適配與蛋白質(zhì)工程手段，解決了計算機途徑熱力學(xué)匹配、代謝流平衡以及副產(chǎn)物抑制等問題，克服了人工途徑組裝與級聯(lián)反應(yīng)進(jìn)化等難題。在氫氣驅(qū)動下，ASAP將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉分子的速度為每分鐘每毫克催化劑22nmol碳單元，比玉米淀粉合成速度高8.5倍；ASAP淀粉合成的理論能量轉(zhuǎn)化效率為7%，是玉米等農(nóng)作物的3.5倍，并可實現(xiàn)直鏈和支鏈淀粉的可控合成。該成果不依賴植物光合作用，實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的人工全合成。
三、人工合成淀粉的重大意義和發(fā)展前景
人工合成淀粉科研工作取得的突破性進(jìn)展得到了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u價，認(rèn)為是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”，是“擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”，有潛力在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮重大作用。
一是形成碳中和新路徑。人工合成淀粉以二氧化碳主要原料，產(chǎn)出淀粉，即二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉固定下來。所以，人工合成淀粉也實際體現(xiàn)為一種新的、潛力巨大的負(fù)碳技術(shù)，在未來成熟并大規(guī)模使用后，為實現(xiàn)碳中和做出顯著貢獻(xiàn)。
二是保障糧食安全。專家介紹，經(jīng)核磁共振等檢測發(fā)現(xiàn)，人工合成的淀粉分子與天然淀粉分子的結(jié)構(gòu)組成一致，也就是說和天然淀粉沒有區(qū)別，是可以食用的。專家預(yù)期，一旦該技術(shù)步入工業(yè)化量產(chǎn)，今后占地約1米的機器就可產(chǎn)5畝地的淀粉。這為以后人類在保障糧食安全的前提下減少從農(nóng)作物中攝取能量，提供了一個潛力巨大的解決方案，專家評價其“不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義”“將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響”，還有一些國家表示，中國這項科技可為解決世界農(nóng)業(yè)問題探明方向。
三是節(jié)約大量能源。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大量化肥和農(nóng)藥，它們的生產(chǎn)和運輸會消耗大量能源。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還需要使用大量農(nóng)業(yè)機械，也會消耗大量能源。以人工合成淀粉替代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就可把其中一部分能源節(jié)省下來，相應(yīng)減少溫室氣體排放，實現(xiàn)大量減碳,還可同時減少農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負(fù)面影響。另一方面，人工合成淀粉的生產(chǎn)過程非常耗能，會不會產(chǎn)生更多的二氧化碳？如果所需要的能源無需使用化石能源，而是來自太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源，這個問題就有了圓滿解決方案。
四是節(jié)約大量土地和水資源。隨著人口的不斷增長和所需要的食物越來越多，農(nóng)業(yè)種植需要占用的土地資源和水資源也越來越多。有分析認(rèn)為，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低至與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，將可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源。同時，這也可顯著減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化尤其是應(yīng)對洪澇等災(zāi)害的壓力和投入。
五是助力其他技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。我國二氧化碳人工合成淀粉的研發(fā)成功，將為農(nóng)業(yè)發(fā)展、醫(yī)療應(yīng)用、人造食品、可持續(xù)新能源以及新型材料等提供助力。美國工程院院士延斯·尼爾森表示，這是利用合成生物學(xué)解決當(dāng)今社會面臨的若干重大挑戰(zhàn)的驚人案例，將為日后更多相關(guān)研究鋪平道路。麥肯錫數(shù)據(jù)顯示，未來10年到20年，合成生物學(xué)每年對材料、化學(xué)和能源的直接和間接經(jīng)濟(jì)影響或達(dá)2000億到3000億美元。
目前，從二氧化碳到淀粉的人工合成的科研成果尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離，后續(xù)還需要盡快實現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，為此需要組織更多方面的科研力量和產(chǎn)業(yè)力量，進(jìn)行持續(xù)投入和攻關(guān)。未來，一旦這項成果發(fā)展成為可規(guī)?；瘧?yīng)用的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，以上潛力就會釋放出來。
供稿：中國清潔發(fā)展機制基金管理中心 馮林琳、溫剛
